“黑洞”漫谈

湖北省丹江口市石鼓镇中学 王 兵

2019 年，30 多位各国科学家利用全球各地的8 台射电望远镜，历时4 年拍摄并“冲洗”的世界上第一张黑洞照片终于被公之于众。这张室女座超巨椭圆星系M87 中心的超大质量黑洞照片看起来非常模糊和梦幻，但却更加激起了大家对黑洞的好奇。

世界上第一张黑洞照片

黑洞的形成

黑洞是现代广义相对论中，宇宙空间内存在的一种天体。在很多科幻小说或电影里，人们可以通过黑洞来穿越时空或进行星际旅行。那黑洞究竟是从何而来的呢？

据科学家研究发现，不同类型的黑洞形成的原因可能并不相同。例如恒星质量的黑洞，也就是大概三到几十个太阳质量的黑洞，它的产生过程大致是这样的：恒星死亡的时候，其中间的铁质核心会发生引力坍缩；引力坍缩到一定程度的时候，引力势能释放会引发爆炸；爆炸的冲击波在向外扩张的时候，引力坍缩仍在继续，坍缩产生的引力强过爆炸力之后，又将其产生的能量、物质统统都吸引回来，于是便形成了黑洞。大致上可以说是由于超新星爆炸失败，产生了恒星质量的黑洞。

另外一种超大质量黑洞，是指百万倍太阳质量以上的黑洞，它们一般都位于星系靠近中间的位置。目前主流观点认为，银河系的中间就可能存在一个超大质量黑洞。科学家认为超大质量黑洞在初生的时候可能并没有那么大，而是在漫长的时间里不断吸入星系里的气体、恒星等周围物质，才逐渐“长”成那么大的。

还有一种中等质量黑洞，也是科学家一直在寻找的黑洞，被认为是黑洞演化理论中重要的“缺失环节”。著名科学家霍金还提出过一种量子黑洞，也叫微型黑洞。据他推测，量子黑洞会发出一种热辐射，也叫黑洞辐射或霍金辐射。但遗憾的是，霍金辐射目前并没有被实际观测到。

黑洞的存在

我们普通人大概只知道黑洞的引力非常大，任何经过它附近的物质都会被吸进去，就连光也不例外。但是，黑洞并不是我们认为的一个洞的概念，而是一种密度无限大、体积无限小的奇异天体。那我们是如何发现黑洞的呢？

绝大多数天文爱好者都认为黑洞的发现是在爱因斯坦提出广义相对论之后。但其实早在18 世纪晚期，英国科学家约翰·米歇尔就提出了“暗星”的概念。他所假设的关于“暗星”的各种特性，事实证明已经非常接近于我们现在所说的黑洞。

然而在当时，人们无法理解没有质量的光和引力之间是如何产生作用的，所以没人相信约翰·米歇尔的猜测。直到爱因斯坦的广义相对论发表之后，人们经过计算发现了第一个黑洞。因此，科学家把广义相对论看作是黑洞存在的理论基础。

1915 年，爱因斯坦的广义相对论的引力场方程式发布两个月之后，德国科学家卡尔·史瓦西计算出了这个方程中的一个精确解，也就是我们所说的“黑洞的史瓦西半径”。在这个半径内，所有的物质都向着位于黑洞中心的奇点坍塌。所以，黑洞这个无法被人类直接观测的天体，首先是被数学家通过理论公式计算出来的。

黑洞的发现

就连光都无法逃脱黑洞的引力，因此我们也就无法在光学上观测黑洞。那我们如何找到黑洞呢？

在著名科幻电影《星际穿越》中，我们看到卡冈图雅黑洞周围有一圈非常明亮的光环。而在现实中，由于黑洞产生的引力效应，也确实会在它的周围聚集大量的星际物质。这些绕黑洞高速运行的星际物质被称为吸积盘。吸积盘在旋转的过程中一般都会产生大量的辐射，虽然这会影响我们对黑洞大小的判断，但却让它变得光学可见。

卡冈图雅黑洞

同时，由于黑洞本身的质量和引力场都很大，科学家可以通过观察黑洞对其周围天体的牵引，来寻找由可见恒星和黑洞组成的双星系统。那么，什么是双星系统呢？科学家又是如何通过双星系统来发现黑洞的呢？

双星系统是指由两颗恒星组成，相对于其他恒星来说，位置看起来非常靠近的天体系统。简单地说，如果我们观测到一颗恒星在绕着一个我们看不见的天体旋转，我们就可以通过这颗恒星的旋转周期来计算出这个看不见的天体的质量。如果它的质量非常大，大过几个太阳的质量，那我们基本就可以确定这就是一个黑洞。

有意思的是，在科学家还没看到黑洞的本来面目时，却先一步监测到了它的“声音”。2015 年9 月14 日，人类首 次 探测到大约13 亿光年之外的两个黑洞合并时发出的引力波信号。在这次双黑洞合并中，一个36 倍太阳质量的黑洞与一个29 倍太阳质量的黑洞，合并成一个62 倍太阳质量的黑洞，并辐射出3 倍太阳质量的能量。这种巨大的能量以引力波的形式向外传播，经过13 亿光年的跋涉到达了地球。

黑洞的里面

黑洞的里面究竟有什么？事实上这个问题现在还无法回答。因为还没有飞行器或人类进去之后再出来。

科学家推测黑洞的中心是一颗密度超高的坍缩恒星内核，内核周围是一个叫做“视界”的球面。“视界”将黑洞和宇宙的其余部分一分为二，进入“视界”的东西可能永远都无法出来。

但是，著名科学家霍金却认为在“视界”层面上，常规的物理学定律不再适用。他推测，如果有一对粒子在黑洞的边缘出现，其中一个粒子被黑洞吸进去了，而另外一个粒子则会被迫成为宇宙中一个实际存在的粒子。因此，它必须从黑洞里吸取能量。

按照霍金的这种设想，黑洞会随着时间的流逝，慢慢地减少质量，最终会彻底蒸发。同时，霍金还认为黑洞是有出口的，就算被吸进去也出得来，但出口可能通往另一个宇宙。

对于霍金的观点，大多数科学家都认为，在没有制造出实验方法之前，它也不过是一家之言。实际上，从米歇尔最初提出“暗星”的概念，到我们监测到黑洞的“声音”，科学家关于黑洞的争论就一直没有停止过。