黑洞揭秘

劉聲遠

當我們抬頭仰望銀河系，吸引我們目光的總是那些美麗的行星和恒星。但實際上，潛藏在星空中黑暗區(qū)域的那些無比驚人、無比簡單的天體才堪稱完美。它們被稱為“黑洞”。

恒星坍縮成黑洞（示意圖）

恒星怎樣保持穩(wěn)定

一般的理論是，黑洞是太空中無限致密的塊（注意：宇宙學(xué)中的塊或點并非是我們?nèi)粘Ｉ钪袑w量大小的認知，而是具有很大規(guī)模的物體），進入黑洞中的任何物質(zhì)，哪怕是光線，都無法逃離。質(zhì)量為太陽質(zhì)量幾倍的黑洞，很可能形成于質(zhì)量為太陽20～30倍的恒星。巨大的恒星在極度高溫中明亮燃燒，發(fā)出藍光，但最明亮的恒星也最短命。

恒星是巨大的氣態(tài)星球，它們會在自身引力下坍縮。而發(fā)生在恒星核內(nèi)部的聚變反應(yīng)會釋放巨量光線，其造成向外延伸的輻射壓會阻止恒星坍縮。但最終坍縮還是會占上風(fēng)。巨大的恒星可能會在短短幾百萬年內(nèi)燒完自己的核燃料，然后在自身引力下坍縮。

由于坍縮的物質(zhì)數(shù)量極其巨大，產(chǎn)生的巨大而又致密的中子量會在巨大的引力下繼續(xù)坍縮。如果恒星質(zhì)量是太陽的20倍或再多一點，恒星最終就會消失，留下的“幽靈”就是黑洞。但并非所有恒星都會經(jīng)歷這一轉(zhuǎn)變。像太陽這樣質(zhì)量較小的恒星，在聚變反應(yīng)停止后會變成矮星，然后逐漸化為灰燼。

如此看來，黑洞的成因很簡單：足夠多的物質(zhì)被壓縮到足夠小的體積。由此就產(chǎn)生了一種可能性——早期宇宙中幾乎所有的大質(zhì)量恒星最終都會變成黑洞。

用河流來比喻黑洞周圍最近鄰的區(qū)域很合適。如果你在河中平靜的水域游泳，那么你就很安全。同理，只要距離黑洞足夠遠，黑洞就奈何不了你。但在黑洞所在地，由于物質(zhì)坍縮到了很小的體積，變得非常致密，不存在實體，而只是太空中一個無限小的點。當然，這里的“點”同樣是一個空間。

還是拿河水來類比。當河水流到瀑布邊時，水流加快，如果誰在這里跳進水流，只會葬身瀑布。而在距離黑洞很近的地方，空間架構(gòu)就像瀑布那樣被拉向黑洞中心。不管是恒星、行星還是光線，一旦被拖進黑洞就沒有回頭路。

黑洞仿如時空之河（示意圖）

但黑洞引力的勢力范圍并非無限大。人們可能會認為，黑洞會吞噬周圍的所有天體。然而，這種認識是錯誤的，因為黑洞只吞噬一定距離內(nèi)的天體。那么，黑洞內(nèi)部是什么樣子？我們看不見。黑洞與可見的宇宙之間的界限被稱為“視界”。一旦從可見的宇宙越過視界，就再無回頭路。

從愛因斯坦開始，科學(xué)家不再把宇宙架構(gòu)視為靜態(tài)的，而是認為大質(zhì)量天體會扭曲周圍的空間，并影響時間。于是有了“時空”這個詞，即把時間和空間結(jié)合起來。愛因斯坦的卓越就在于他認識到了時間與空間的緊密聯(lián)系：物質(zhì)不僅會扭曲空間，而且會改變時間進程。具體來說，物質(zhì)越密集的地方，時間流逝的也越慢。

在黑洞周邊區(qū)域，扭曲的時空拉長光波，讓色彩失真。從遙遠的距離看向黑洞，視界就是時間停住的地方。如果你距離黑洞越來越近，那么在距離黑洞足夠遠處的一個人會看見你的膚色越來越紅，你的時間與他的時間相比也會變慢。最終你穿過視界，消失無蹤。

人馬座A

|人馬座A（想象圖）

黑洞之怪異，就連科幻作家都難以想象。但黑洞不是幻想的東西，而是實際存在的。絕大多數(shù)黑洞都很小，直徑不到32千米，它們通常在太空中流人馬浪。但如果我們把目光指向銀河系的中心，看穿包裹星系核的氣體和塵埃云，那么全然不同的跡象就會出現(xiàn)。

在20多年中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銀河系中心的恒星根本沒有環(huán)繞任何可見的天體。這些恒星所在區(qū)域的中心一片黑暗，就像是那里有一個無比巨大的空洞，而這些恒星就像是在環(huán)繞這個空洞——科學(xué)家稱之為“人馬座A”。這個空洞的質(zhì)量是多么巨大，以至于能讓恒星群環(huán)繞它？科學(xué)家推測這個空洞就是一個黑洞，其質(zhì)量為太陽的400萬倍。

事實上，整個銀河系都環(huán)繞于人馬座A?？茖W(xué)家自然要問：這個黑洞來自何方？它的個頭為什么會長得這么大？

1999年，錢德拉X射線太空望遠鏡（以下簡稱“錢德拉”）從美國宇航局航天飛機上升空。雖然已經(jīng)服役20多年，但是錢德拉依然是科學(xué)家觀測高能宇宙射線的最強大天文學(xué)設(shè)備。

錢德拉的最高軌道距離地球表面13.4萬千米。在這個軌道中，錢德拉用8張高精準鏡面掃描太空，探查從宇宙中極熱區(qū)域發(fā)出的X射線。錢德拉升空后近14年來，一直在搜索爆發(fā)的恒星和星系團。2013年9月14日，它望向人馬座A，觀測一個巨大的熾熱氣云團，卻意外地記錄到了來自看似空曠的銀河系中心的、短暫的X射線爆發(fā)。

錢德拉望遠鏡

科學(xué)家立即警覺起來：這一爆發(fā)必定事出有因！可是，他們看不見原因?？茖W(xué)家起初推測，位于2.6萬光年外的一顆小行星當時被撕裂，并且在烈焰中燃燒，其亮度是太陽的好幾百倍，由此造成的X射線爆發(fā)被錢德拉記錄到。但爆發(fā)的強度之大，讓科學(xué)家更相信是黑洞所為。也就是說，在銀河系中心必定有一個大黑洞，而人馬座A正是這個黑洞。這個黑洞當時只不過是在吃“小點心”——有可能是一顆小行星，由此造成強烈而又短暫的X射線爆發(fā)。

不僅可以用錢德拉觀測銀河系，還可以用它觀測其他星系。天文學(xué)家通過觀測發(fā)現(xiàn)，在每個大星系中心都有黑洞。這些黑洞的質(zhì)量都很大，是太陽質(zhì)量的幾百萬甚至幾十億倍。問題接踵而來：這些黑洞是怎樣形成的？它們?yōu)槭裁磿@么大？

黑洞的形成需要幾百萬至幾十億年時間。一些科學(xué)家猜測，那些最大、最古老的黑洞并非始于恒星。在宇宙的最早期，氣體可能會直接坍縮形成大質(zhì)量黑洞。雖然不排除這種可能性，但大多數(shù)科學(xué)家相信人馬座A自一顆恒星的死亡而形成。

不管形成人馬座A的起因是什么，有一點很明確：它在變大。人馬座A剛形成時，附近誤入其勢力范圍的小行星、恒星和巨大的氣云都是它的“食物”。隨著進食量增加，黑洞個頭也越來越大。但僅僅通過進食，初始質(zhì)量僅為太陽幾十倍的黑洞絕無可能擁有超大質(zhì)量。那么，人馬座A是怎樣做到加速生長的？2015年9月14日，科學(xué)家找到了一個線索——兩個黑洞相撞的余波。

兩個黑洞相撞（示意圖）

不難理解，兩個黑洞相撞的規(guī)模和威力都無比巨大，其在時空架構(gòu)中引起的漣漪以光速向外傳播。在地球上，科學(xué)家用LIGO探查到了這些漣漪。LIGO是一種儀器，其運作方式為發(fā)射激光束，激光束在到達鏡面后會反射回來。當引力波經(jīng)過地球時，激光束的返回時間會有改變。雖然這種改變很微小，但采用了高精尖技術(shù)的LIGO能探查到。

許多科學(xué)家現(xiàn)在相信，像這樣的黑洞相撞正是超大質(zhì)量黑洞形成機制中的關(guān)鍵因素。當另一個黑洞朝著人馬座A流浪而來，兩者會相互環(huán)繞而動，在此過程中失去能量，最終兩者合二為一。對人馬座A來說，這種合并發(fā)生在幾十億年前，也就是人馬座A誕生之初。

隨著人馬座A的質(zhì)量和影響力激增，它的周邊環(huán)境也發(fā)生著變化。這個黑洞周圍的恒星群和氣云持續(xù)生長，逐漸演化成了銀河系，而人馬座A占據(jù)銀河系的中心。因此，當人馬座A變成一個超大質(zhì)量黑洞時，它也真正成年了，能夠主宰整個銀河系的演變。年輕的銀河系中心有大量旋轉(zhuǎn)的塵埃和氣云，所以黑洞不乏食物。隨著人馬座A的饕餮盛宴不斷進行，其引力撕裂了物質(zhì)，并釋放出質(zhì)子、電子和扭曲的磁力線。

在靠近視界的物質(zhì)中，有一部分并未越界而被黑洞吞沒。在黑洞周圍，這些超熾熱物質(zhì)被沿著黑洞的兩個磁極（兩股超高能射流）甩出，從而進入宇宙空間。它們所到達的最遠之處，距離黑洞本身數(shù)十萬光年。

直到最近，科學(xué)家才開始認識到人馬座A對銀河系的巨大影響力，以及這些超高能射流可能扮演的角色。這要從費米太空望遠鏡（以下簡稱“費米”）說起。

費米于2008年6月11日發(fā)射，其建造目的是探測宇宙中最強的能量輻射——伽馬射線。費米的靈敏度幾乎是之前伽馬射線望遠鏡的100倍，因此通過它能看見之前看不到的東西。費米每96分鐘就環(huán)繞地球一圈，科學(xué)家用它創(chuàng)建了宇宙地圖，還發(fā)現(xiàn)了一種不可見的風(fēng)景——星系中能量最多的區(qū)域，那就是黑洞。費米把“目光”對準銀河系黑洞，科學(xué)家對黑洞模樣的想象中因此又多了一些細節(jié)。雖然不可能直接看到黑洞內(nèi)部，但費米為科學(xué)家?guī)砹艘粋€意想不到的巨大驚喜。

銀河系盤面（銀盤）上有兩個巨大的泡泡（被稱為“費米泡泡”），其中每個泡泡的直徑都是2.5萬光年，它們加起來占到銀河系直徑的一半。如果你能看見伽馬射線，那么費米泡泡就會是你在天空中所見的最大天體。兩個費米泡泡就像是懸在人馬座A黑洞中心的超巨大啞鈴。如果人馬座A曾經(jīng)發(fā)生過巨大的爆發(fā)，就一定會在銀河系中留下痕跡。而費米泡泡就是這樣的痕跡。由此，科學(xué)家終于找到了一些線索，證明銀河系曾有過更活躍、更具爆發(fā)力的過去。

費米泡泡

費米望遠鏡

當人馬座A進食時，它會釋放極大量超高溫物質(zhì)。一個超大質(zhì)量黑洞每秒鐘釋放的能量，相當于萬億乘以萬億枚原子彈的能量和。如果有人正好處在黑洞超高能射流的“火力”中，那他瞬間就會氣化消失。如果行星被射流擊中，那么行星大氣層會立即消失。

而在銀河系遙遠的外圍，來自人馬座A的瘋狂爆發(fā)卻可能起到一種驚人的作用：超大質(zhì)量黑洞發(fā)射的超高溫氣體，對該黑洞所在的星系有“鎮(zhèn)靜”作用。

要形成恒星，就得有很冷又很致密的氣體，這是由于恒星形成于物質(zhì)的坍縮。由于黑洞射流會導(dǎo)致氣體升溫，所以氣體無法坍縮形成恒星。從這個意義上講，黑洞決定恒星和行星的形成頻率。歸根到底，黑洞決定地球的存在，而我們的存在都歸結(jié)于黑洞。

在花了數(shù)十億年吞噬自己周圍的氣體、塵埃、恒星和行星之后，黑洞就沒有什么可以吃的了。于是，人馬座A目前已進入休眠狀態(tài)。雖然它今天看來很安靜，但通過費米發(fā)現(xiàn)的巨大泡泡揭示了它狂暴的過去。

隨著我們對黑洞的了解增多，黑洞的形象已不再是邪惡、狂暴的食客，而成為宇宙的創(chuàng)造者和塑造者。但對于人馬座A，依然有太多未解之謎，其中最有趣的一個謎題是：在超大質(zhì)量黑洞的內(nèi)部和視界上，到底會發(fā)生什么？

黑洞也是如今兩大物理理論的矛盾焦點，其中之一是引力理論，另一個是量子力學(xué)。量子力學(xué)關(guān)心的是超小物質(zhì)的行為（例如電子和原子核是怎樣組合在一起的），而黑洞是引力與量子力學(xué)的交匯處。當科學(xué)家計算黑洞的宏觀維度和微觀維度時，卻發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果相互矛盾，也就是缺乏一種統(tǒng)一的理論來描述這兩者。

實驗室模擬霍金輻射

霍金式爆發(fā)（想象圖）

如何破解這個矛盾？科學(xué)家開始調(diào)查人馬座A中心的情況。他們研究了數(shù)十顆位于黑洞軌道中的恒星，其中一些距離視界只有幾十億千米（不要以為幾十億千米有好遠好遠，在宇宙尺度上講，幾十億千米只相當于一根發(fā)絲的直徑）。如此靠近黑洞，很可能帶來災(zāi)難性的后果。其中一些恒星可能有行星環(huán)繞，而這些行星也可能葬身黑洞腹中。

如果你墜入黑洞，那么在此之前你必定經(jīng)過了視界，但實際上你什么也看不見，因此你根本不知道自己已經(jīng)過了視界。如果能站在黑洞附近的行星表面，你將會看見一個扭曲的宇宙，時間和空間都被扭曲。你會發(fā)現(xiàn)一切現(xiàn)象的發(fā)生速度都超快。但最終，潮汐力和引力變得很強，周圍空間及空間中的任何物體都被拉伸。你的身體最終被拉成一根很長、超細的“面條”，直徑還不及一個原子的直徑。也就是說，一旦墜入黑洞，就連行星和恒星也會被分解到比原子還小的程度。而在黑洞的腹心，或者說黑洞的盡頭——奇點，一切旅行戛然而止。

所謂奇點，是指物體被壓縮到無以復(fù)加的程度，此時物體看似不存在卻依然存在。數(shù)萬億年后，人馬座A周圍的所有恒星和行星都將消失，但黑洞繼續(xù)游蕩在宇宙中。

如果進入黑洞勢力范圍的任何物體都無法脫逃，那么故事就終結(jié)了嗎？也許不會，因為科學(xué)家現(xiàn)在相信，就算是像人馬座A這樣的黑洞也會死亡。

1975年，物理學(xué)家霍金發(fā)表了一篇驚人的論文，其中說黑洞并非絕對和完全黑暗?；艚鹫J為，黑洞也發(fā)光，只是光很暗。他還說，黑洞也有對應(yīng)的溫度?；艚鸾o出的一個很合理、很科學(xué)的方程式，把物理學(xué)的許多方面都聯(lián)系起來。這個方程式中有引力，有黑洞質(zhì)量，有光速，還有與原子物理有關(guān)的常數(shù)，當然還有溫度。

霍金的這個方程式，完美地解決了對黑洞的引力學(xué)計算和量子力學(xué)計算結(jié)果之間的差異。簡單而言，這個公式的含義是：只要一個物體有溫度，它就會發(fā)光，就會發(fā)出輻射，在此過程中失去能量。對于像人馬座A這么巨大的黑洞來說，雖然從出生到死亡的時間規(guī)模極其巨大——數(shù)萬億乘以數(shù)萬億年，但它們最終還是會煙消云散，徹底消失。到那時，銀河系將陷入永久的黑暗。

也許你會問：如果在非常非常遙遠的未來，即便是超大質(zhì)量的黑洞也會分崩離析，那還有什么意義呢？事實上，“霍金輻射”的發(fā)現(xiàn)帶來了一些深奧的物理學(xué)謎題。

黑洞穿越（科幻圖）

黑洞可能會讓時間旅行的（尤其是回到過去）夢想成真（示意圖）

如果把霍金的這篇論文付之一炬，隨著它的燃燒和輻射，它是否就永遠離開了宇宙？或許，我們可以把所有的灰燼收集起來，找到所有的光子并重構(gòu)它們，這樣就不僅能復(fù)原論文紙，而且能完整重建包括方程式在內(nèi)的論文所有內(nèi)容。

當然，這只是科學(xué)狂想。那么，黑洞是否也適用“重構(gòu)法則”？對于所有墜入黑洞的物體來說，它們原本包含的所有信息會怎樣？隨著黑洞最終的蒸發(fā)，黑洞真的會片甲不留？那些信息全都消失？

在人馬座A蒸發(fā)、消失的過程中，如果發(fā)生信息逃逸，其含義就非常深遠?？茖W(xué)家現(xiàn)在相信，墜入黑洞的所有天體（不管是恒星、行星還是小行星）可能會在黑洞死亡后繼續(xù)存在，它們的每個粒子的方位等信息完整保留，因此從理論上說，如果能找到這些信息，就能通過它們?nèi)?gòu)想這些天體原來的模樣。這就相當于回到從前。

如此看來，那些墜入人馬座A的天體的所有記憶，都化為這個黑洞的一部分，并未丟失?，F(xiàn)在，就算有這樣的信息，科學(xué)家也無法讀取它們。我們只能狂想：有朝一日，我們將能夠讀取灰燼中包含的信息。

但問題又來了：什么物體能逃離黑洞的魔爪？怎樣逃離？畢竟，對黑洞的定義意味著任何東西都不能逃出黑洞。然而，細讀“霍金輻射”，似乎可以表明量子力學(xué)的確把事物的內(nèi)部和外部連接起來。遺憾的是，科學(xué)家仍不清楚究竟是怎樣連接的。

黑洞迫使科學(xué)家以全新和真正燒腦的方式來進行思考。對于“如果我們把東西扔進黑洞，它們會怎樣”這個問題，科學(xué)界現(xiàn)在依然爭論不休。有一種狂想是：墜入黑洞的天體最終被送往另一個空間，或許是多重宇宙的另一個分支。

有些科學(xué)家想象，黑洞也許真的只是某種類型的量子球。還有科學(xué)家設(shè)想，墜入黑洞的所有信息都會被全息編碼在黑洞表面，但編碼方式不明。無論這些猜想是對還是錯，其意義都超越了黑洞本身。為什么這么說？量子引力理論在描述黑洞內(nèi)部機制方面必不可少，但現(xiàn)有的量子引力理論令人難以捉摸。

或許，未來十年或未來百年，該理論將出現(xiàn)激動人心的進展，甚至?xí)嵝盐覀儛垡蛩固沟囊碚摬⒎且Χㄕ摗?/p>

破解黑洞奧秘，或許能為我們完成對自然的完整描繪提供最佳機遇。過去百年中，科學(xué)界一直困惑于無法完成這種描繪。因此，最重要的并不是找到的答案是什么，而是通過了解最了不得的天體——黑洞來全面了解宇宙。

要想全面了解黑洞，科學(xué)家還有很長的路要走。但他們已開始揭開黑洞的面紗：黑洞絕不只是宇宙怪物，而是宇宙的塑造者。

愛因斯坦的廣義相對論依然成立

據(jù)相關(guān)媒體2021年12月報道，科學(xué)家已經(jīng)以迄今最高的清晰度觀測了靠近銀河系中心黑洞——人馬座A的區(qū)域。這些觀測表明，有關(guān)引力怎樣影響時空的愛因斯坦廣義相對論仍然準確。

測試廣義相對論的方法之一是觀測超大質(zhì)量黑洞附近恒星的運動。在超大質(zhì)量黑洞附近，引力效應(yīng)比在宇宙中其他任何地方都更極端。最近，一個團隊運用了位于智利的超大望遠鏡干涉儀來觀測人馬座A。他們綜合運用了四臺望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)（這種觀測技術(shù)被稱為干涉），觀測準確度比之前用一部望遠鏡觀測提高了大約20倍，因此他們能夠觀測到更遠和亮度更微弱的天體，而且解析度更高。

最新觀測圖像顯示了在非?？拷笋R座A的地方環(huán)繞該黑洞的那些恒星。通過測量這些恒星的速度，該團隊算出這個黑洞的質(zhì)量約為太陽的430萬倍。這是迄今為止對人馬座A質(zhì)量的最準確計算結(jié)果。該團隊發(fā)現(xiàn)，這些恒星的運動看來全部符合廣義相對論的預(yù)測結(jié)果。

該團隊還發(fā)現(xiàn)了一顆之前未知環(huán)繞人馬座A的恒星，它或許有助于測試有別于廣義相對論的其他理論。這顆被稱為S300的恒星比其所在區(qū)域的其他恒星更古老、黯淡，但其亮度變化特點讓科學(xué)家能以更高準確度測量它的運動情況。一顆以前不為人知的恒星S300的發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家推測，在更靠近黑洞的地方可能還有其他低亮度的恒星。對于測試廣義相對論來說，這些恒星更有幫助?？茖W(xué)家正在探索能發(fā)現(xiàn)這些恒星的途徑。

人馬座A及其周圍天體（想象圖）