黑洞揭秘

刘声远

当我们抬头仰望银河系，吸引我们目光的总是那些美丽的行星和恒星。但实际上，潜藏在星空中黑暗区域的那些无比惊人、无比简单的天体才堪称完美。它们被称为“黑洞”。

恒星坍缩成黑洞（示意图）

恒星怎样保持稳定

一般的理论是，黑洞是太空中无限致密的块（注意：宇宙学中的块或点并非是我们日常生活中对体量大小的认知，而是具有很大规模的物体），进入黑洞中的任何物质，哪怕是光线，都无法逃离。质量为太阳质量几倍的黑洞，很可能形成于质量为太阳20～30倍的恒星。巨大的恒星在极度高温中明亮燃烧，发出蓝光，但最明亮的恒星也最短命。

恒星是巨大的气态星球，它们会在自身引力下坍缩。而发生在恒星核内部的聚变反应会释放巨量光线，其造成向外延伸的辐射压会阻止恒星坍缩。但最终坍缩还是会占上风。巨大的恒星可能会在短短几百万年内烧完自己的核燃料，然后在自身引力下坍縮。

由于坍缩的物质数量极其巨大，产生的巨大而又致密的中子量会在巨大的引力下继续坍缩。如果恒星质量是太阳的20倍或再多一点，恒星最终就会消失，留下的“幽灵”就是黑洞。但并非所有恒星都会经历这一转变。像太阳这样质量较小的恒星，在聚变反应停止后会变成矮星，然后逐渐化为灰烬。

如此看来，黑洞的成因很简单：足够多的物质被压缩到足够小的体积。由此就产生了一种可能性——早期宇宙中几乎所有的大质量恒星最终都会变成黑洞。

用河流来比喻黑洞周围最近邻的区域很合适。如果你在河中平静的水域游泳，那么你就很安全。同理，只要距离黑洞足够远，黑洞就奈何不了你。但在黑洞所在地，由于物质坍缩到了很小的体积，变得非常致密，不存在实体，而只是太空中一个无限小的点。当然，这里的“点”同样是一个空间。

还是拿河水来类比。当河水流到瀑布边时，水流加快，如果谁在这里跳进水流，只会葬身瀑布。而在距离黑洞很近的地方，空间架构就像瀑布那样被拉向黑洞中心。不管是恒星、行星还是光线，一旦被拖进黑洞就没有回头路。

黑洞仿如时空之河（示意图）

但黑洞引力的势力范围并非无限大。人们可能会认为，黑洞会吞噬周围的所有天体。然而，这种认识是错误的，因为黑洞只吞噬一定距离内的天体。那么，黑洞内部是什么样子？我们看不见。黑洞与可见的宇宙之间的界限被称为“视界”。一旦从可见的宇宙越过视界，就再无回头路。

从爱因斯坦开始，科学家不再把宇宙架构视为静态的，而是认为大质量天体会扭曲周围的空间，并影响时间。于是有了“时空”这个词，即把时间和空间结合起来。爱因斯坦的卓越就在于他认识到了时间与空间的紧密联系：物质不仅会扭曲空间，而且会改变时间进程。具体来说，物质越密集的地方，时间流逝的也越慢。

在黑洞周边区域，扭曲的时空拉长光波，让色彩失真。从遥远的距离看向黑洞，视界就是时间停住的地方。如果你距离黑洞越来越近，那么在距离黑洞足够远处的一个人会看见你的肤色越来越红，你的时间与他的时间相比也会变慢。最终你穿过视界，消失无踪。

人马座A

|人马座A（想象图）

黑洞之怪异，就连科幻作家都难以想象。但黑洞不是幻想的东西，而是实际存在的。绝大多数黑洞都很小，直径不到32千米，它们通常在太空中流人马浪。但如果我们把目光指向银河系的中心，看穿包裹星系核的气体和尘埃云，那么全然不同的迹象就会出现。

在20多年中，科学家发现银河系中心的恒星根本没有环绕任何可见的天体。这些恒星所在区域的中心一片黑暗，就像是那里有一个无比巨大的空洞，而这些恒星就像是在环绕这个空洞——科学家称之为“人马座A”。这个空洞的质量是多么巨大，以至于能让恒星群环绕它？科学家推测这个空洞就是一个黑洞，其质量为太阳的400万倍。

事实上，整个银河系都环绕于人马座A。科学家自然要问：这个黑洞来自何方？它的个头为什么会长得这么大？

1999年，钱德拉X射线太空望远镜（以下简称“钱德拉”）从美国宇航局航天飞机上升空。虽然已经服役20多年，但是钱德拉依然是科学家观测高能宇宙射线的最强大天文学设备。

钱德拉的最高轨道距离地球表面13.4万千米。在这个轨道中，钱德拉用8张高精准镜面扫描太空，探查从宇宙中极热区域发出的X射线。钱德拉升空后近14年来，一直在搜索爆发的恒星和星系团。2013年9月14日，它望向人马座A，观测一个巨大的炽热气云团，却意外地记录到了来自看似空旷的银河系中心的、短暂的X射线爆发。

钱德拉望远镜

科学家立即警觉起来：这一爆发必定事出有因！可是，他们看不见原因。科学家起初推测，位于2.6万光年外的一颗小行星当时被撕裂，并且在烈焰中燃烧，其亮度是太阳的好几百倍，由此造成的X射线爆发被钱德拉记录到。但爆发的强度之大，让科学家更相信是黑洞所为。也就是说，在银河系中心必定有一个大黑洞，而人马座A正是这个黑洞。这个黑洞当时只不过是在吃“小点心”——有可能是一颗小行星，由此造成强烈而又短暂的X射线爆发。

不仅可以用钱德拉观测银河系，还可以用它观测其他星系。天文学家通过观测发现，在每个大星系中心都有黑洞。这些黑洞的质量都很大，是太阳质量的几百万甚至几十亿倍。问题接踵而来：这些黑洞是怎样形成的？它们为什么会这么大？

黑洞的形成需要几百万至几十亿年时间。一些科学家猜测，那些最大、最古老的黑洞并非始于恒星。在宇宙的最早期，气体可能会直接坍缩形成大质量黑洞。虽然不排除这种可能性，但大多数科学家相信人马座A自一颗恒星的死亡而形成。

不管形成人马座A的起因是什么，有一点很明确：它在变大。人马座A剛形成时，附近误入其势力范围的小行星、恒星和巨大的气云都是它的“食物”。随着进食量增加，黑洞个头也越来越大。但仅仅通过进食，初始质量仅为太阳几十倍的黑洞绝无可能拥有超大质量。那么，人马座A是怎样做到加速生长的？2015年9月14日，科学家找到了一个线索——两个黑洞相撞的余波。

两个黑洞相撞（示意图）

不难理解，两个黑洞相撞的规模和威力都无比巨大，其在时空架构中引起的涟漪以光速向外传播。在地球上，科学家用LIGO探查到了这些涟漪。LIGO是一种仪器，其运作方式为发射激光束，激光束在到达镜面后会反射回来。当引力波经过地球时，激光束的返回时间会有改变。虽然这种改变很微小，但采用了高精尖技术的LIGO能探查到。

许多科学家现在相信，像这样的黑洞相撞正是超大质量黑洞形成机制中的关键因素。当另一个黑洞朝着人马座A流浪而来，两者会相互环绕而动，在此过程中失去能量，最终两者合二为一。对人马座A来说，这种合并发生在几十亿年前，也就是人马座A诞生之初。

随着人马座A的质量和影响力激增，它的周边环境也发生着变化。这个黑洞周围的恒星群和气云持续生长，逐渐演化成了银河系，而人马座A占据银河系的中心。因此，当人马座A变成一个超大质量黑洞时，它也真正成年了，能够主宰整个银河系的演变。年轻的银河系中心有大量旋转的尘埃和气云，所以黑洞不乏食物。随着人马座A的饕餮盛宴不断进行，其引力撕裂了物质，并释放出质子、电子和扭曲的磁力线。

在靠近视界的物质中，有一部分并未越界而被黑洞吞没。在黑洞周围，这些超炽热物质被沿着黑洞的两个磁极（两股超高能射流）甩出，从而进入宇宙空间。它们所到达的最远之处，距离黑洞本身数十万光年。

直到最近，科学家才开始认识到人马座A对银河系的巨大影响力，以及这些超高能射流可能扮演的角色。这要从费米太空望远镜（以下简称“费米”）说起。

费米于2008年6月11日发射，其建造目的是探测宇宙中最强的能量辐射——伽马射线。费米的灵敏度几乎是之前伽马射线望远镜的100倍，因此通过它能看见之前看不到的东西。费米每96分钟就环绕地球一圈，科学家用它创建了宇宙地图，还发现了一种不可见的风景——星系中能量最多的区域，那就是黑洞。费米把“目光”对准银河系黑洞，科学家对黑洞模样的想象中因此又多了一些细节。虽然不可能直接看到黑洞内部，但费米为科学家带来了一个意想不到的巨大惊喜。

银河系盘面（银盘）上有两个巨大的泡泡（被称为“费米泡泡”），其中每个泡泡的直径都是2.5万光年，它们加起来占到银河系直径的一半。如果你能看见伽马射线，那么费米泡泡就会是你在天空中所见的最大天体。两个费米泡泡就像是悬在人马座A黑洞中心的超巨大哑铃。如果人马座A曾经发生过巨大的爆发，就一定会在银河系中留下痕迹。而费米泡泡就是这样的痕迹。由此，科学家终于找到了一些线索，证明银河系曾有过更活跃、更具爆发力的过去。

费米泡泡

费米望远镜

当人马座A进食时，它会释放极大量超高温物质。一个超大质量黑洞每秒钟释放的能量，相当于万亿乘以万亿枚原子弹的能量和。如果有人正好处在黑洞超高能射流的“火力”中，那他瞬间就会气化消失。如果行星被射流击中，那么行星大气层会立即消失。

而在银河系遥远的外围，来自人马座A的疯狂爆发却可能起到一种惊人的作用：超大质量黑洞发射的超高温气体，对该黑洞所在的星系有“镇静”作用。

要形成恒星，就得有很冷又很致密的气体，这是由于恒星形成于物质的坍缩。由于黑洞射流会导致气体升温，所以气体无法坍缩形成恒星。从这个意义上讲，黑洞决定恒星和行星的形成频率。归根到底，黑洞决定地球的存在，而我们的存在都归结于黑洞。

在花了数十亿年吞噬自己周围的气体、尘埃、恒星和行星之后，黑洞就没有什么可以吃的了。于是，人马座A目前已进入休眠状态。虽然它今天看来很安静，但通过费米发现的巨大泡泡揭示了它狂暴的过去。

随着我们对黑洞的了解增多，黑洞的形象已不再是邪恶、狂暴的食客，而成为宇宙的创造者和塑造者。但对于人马座A，依然有太多未解之谜，其中最有趣的一个谜题是：在超大质量黑洞的内部和视界上，到底会发生什么？

黑洞也是如今两大物理理论的矛盾焦点，其中之一是引力理论，另一个是量子力学。量子力学关心的是超小物质的行为（例如电子和原子核是怎样组合在一起的），而黑洞是引力与量子力学的交汇处。当科学家计算黑洞的宏观维度和微观维度时，却发现计算结果相互矛盾，也就是缺乏一种统一的理论来描述这两者。

实验室模拟霍金辐射

霍金式爆发（想象图）

如何破解这个矛盾？科学家开始调查人马座A中心的情况。他们研究了数十颗位于黑洞轨道中的恒星，其中一些距离视界只有几十亿千米（不要以为几十亿千米有好远好远，在宇宙尺度上讲，几十亿千米只相当于一根发丝的直径）。如此靠近黑洞，很可能带来灾难性的后果。其中一些恒星可能有行星环绕，而这些行星也可能葬身黑洞腹中。

如果你坠入黑洞，那么在此之前你必定经过了视界，但实际上你什么也看不见，因此你根本不知道自己已经过了视界。如果能站在黑洞附近的行星表面，你将会看见一个扭曲的宇宙，时间和空间都被扭曲。你会发现一切现象的发生速度都超快。但最终，潮汐力和引力变得很强，周围空间及空间中的任何物体都被拉伸。你的身体最终被拉成一根很长、超细的“面条”，直径还不及一个原子的直径。也就是说，一旦坠入黑洞，就连行星和恒星也会被分解到比原子还小的程度。而在黑洞的腹心，或者说黑洞的尽头——奇点，一切旅行戛然而止。

所谓奇点，是指物体被压缩到无以复加的程度，此时物体看似不存在却依然存在。数万亿年后，人马座A周围的所有恒星和行星都将消失，但黑洞继续游荡在宇宙中。

如果进入黑洞势力范围的任何物体都无法脱逃，那么故事就终结了吗？也许不会，因为科学家现在相信，就算是像人马座A这样的黑洞也会死亡。

1975年，物理学家霍金发表了一篇惊人的论文，其中说黑洞并非绝对和完全黑暗。霍金认为，黑洞也发光，只是光很暗。他还说，黑洞也有对应的温度。霍金给出的一个很合理、很科学的方程式，把物理学的许多方面都联系起来。这个方程式中有引力，有黑洞质量，有光速，还有与原子物理有关的常数，当然还有温度。

霍金的这个方程式，完美地解决了对黑洞的引力学计算和量子力学计算结果之间的差异。简单而言，这个公式的含义是：只要一个物体有温度，它就会发光，就会发出辐射，在此过程中失去能量。对于像人马座A这么巨大的黑洞来说，虽然从出生到死亡的时间规模极其巨大——数万亿乘以数万亿年，但它们最终还是会烟消云散，彻底消失。到那时，银河系将陷入永久的黑暗。

也许你会问：如果在非常非常遥远的未来，即便是超大质量的黑洞也会分崩离析，那还有什么意义呢？事实上，“霍金辐射”的发现带来了一些深奥的物理学谜题。

黑洞穿越（科幻图）

黑洞可能会让时间旅行的（尤其是回到过去）梦想成真（示意图）

如果把霍金的这篇论文付之一炬，随着它的燃烧和辐射，它是否就永远离开了宇宙？或许，我们可以把所有的灰烬收集起来，找到所有的光子并重構它们，这样就不仅能复原论文纸，而且能完整重建包括方程式在内的论文所有内容。

当然，这只是科学狂想。那么，黑洞是否也适用“重构法则”？对于所有坠入黑洞的物体来说，它们原本包含的所有信息会怎样？随着黑洞最终的蒸发，黑洞真的会片甲不留？那些信息全都消失？

在人马座A蒸发、消失的过程中，如果发生信息逃逸，其含义就非常深远。科学家现在相信，坠入黑洞的所有天体（不管是恒星、行星还是小行星）可能会在黑洞死亡后继续存在，它们的每个粒子的方位等信息完整保留，因此从理论上说，如果能找到这些信息，就能通过它们去构想这些天体原来的模样。这就相当于回到从前。

如此看来，那些坠入人马座A的天体的所有记忆，都化為这个黑洞的一部分，并未丢失。现在，就算有这样的信息，科学家也无法读取它们。我们只能狂想：有朝一日，我们将能够读取灰烬中包含的信息。

但问题又来了：什么物体能逃离黑洞的魔爪？怎样逃离？毕竟，对黑洞的定义意味着任何东西都不能逃出黑洞。然而，细读“霍金辐射”，似乎可以表明量子力学的确把事物的内部和外部连接起来。遗憾的是，科学家仍不清楚究竟是怎样连接的。

黑洞迫使科学家以全新和真正烧脑的方式来进行思考。对于“如果我们把东西扔进黑洞，它们会怎样”这个问题，科学界现在依然争论不休。有一种狂想是：坠入黑洞的天体最终被送往另一个空间，或许是多重宇宙的另一个分支。

有些科学家想象，黑洞也许真的只是某种类型的量子球。还有科学家设想，坠入黑洞的所有信息都会被全息编码在黑洞表面，但编码方式不明。无论这些猜想是对还是错，其意义都超越了黑洞本身。为什么这么说？量子引力理论在描述黑洞内部机制方面必不可少，但现有的量子引力理论令人难以捉摸。

或许，未来十年或未来百年，该理论将出现激动人心的进展，甚至会提醒我们爱因斯坦的引力理论并非引力定论。

破解黑洞奥秘，或许能为我们完成对自然的完整描绘提供最佳机遇。过去百年中，科学界一直困惑于无法完成这种描绘。因此，最重要的并不是找到的答案是什么，而是通过了解最了不得的天体——黑洞来全面了解宇宙。

要想全面了解黑洞，科学家还有很长的路要走。但他们已开始揭开黑洞的面纱：黑洞绝不只是宇宙怪物，而是宇宙的塑造者。

爱因斯坦的广义相对论依然成立

据相关媒体2021年12月报道，科学家已经以迄今最高的清晰度观测了靠近银河系中心黑洞——人马座A的区域。这些观测表明，有关引力怎样影响时空的爱因斯坦广义相对论仍然准确。

测试广义相对论的方法之一是观测超大质量黑洞附近恒星的运动。在超大质量黑洞附近，引力效应比在宇宙中其他任何地方都更极端。最近，一个团队运用了位于智利的超大望远镜干涉仪来观测人马座A。他们综合运用了四台望远镜的观测数据（这种观测技术被称为干涉），观测准确度比之前用一部望远镜观测提高了大约20倍，因此他们能够观测到更远和亮度更微弱的天体，而且解析度更高。

最新观测图像显示了在非常靠近人马座A的地方环绕该黑洞的那些恒星。通过测量这些恒星的速度，该团队算出这个黑洞的质量约为太阳的430万倍。这是迄今为止对人马座A质量的最准确计算结果。该团队发现，这些恒星的运动看来全部符合广义相对论的预测结果。

该团队还发现了一颗之前未知环绕人马座A的恒星，它或许有助于测试有别于广义相对论的其他理论。这颗被称为S300的恒星比其所在区域的其他恒星更古老、黯淡，但其亮度变化特点让科学家能以更高准确度测量它的运动情况。一颗以前不为人知的恒星S300的发现让科学家推测，在更靠近黑洞的地方可能还有其他低亮度的恒星。对于测试广义相对论来说，这些恒星更有帮助。科学家正在探索能发现这些恒星的途径。

人马座A及其周围天体（想象图）