黑洞发现之路

编译 邵峰

物理学家霍金认为，黑洞“比任何科幻作家幻想出来的东西还奇怪”。黑洞之所以如此奇怪，是因为黑洞内部有一个密度无穷大、体积无穷小的奇点，能让空间和时间彻底崩溃，从而产生人类无法理解的后果。

1783 年，英国科学家米歇尔提出，根据牛顿万有引力定律，宇宙中可能存在连光都能被永远束缚住的大质量天体。由于这种天体无法向外释放光线，米歇尔将其称为“暗星”。但米歇尔的“暗星”理论还是建立在万有引力定律之上的。在该理论框架下，物质并不和时空发生关系，因此“暗星”和“黑洞”从根本上依然是两个不同的事物。

真正为黑洞奠定理论框架的是爱因斯坦于1915 年提出的广义相对论。由此，人类对宇宙的认识进入了一个新时代……

牛顿发现，苹果落地和天体运转都是引力作用的结果

破解物质和时空关系

在广义相对论中，物质（能量）和时空是相互影响的，物质（能量）让时空产生不同程度的弯曲，这就是引力的本质。但爱因斯坦在计算时空曲率时遇到了麻烦，他用了10 个方程才计算出时空在不同质量/能量下的近似弯曲程度（他认为不可能得到精确解）。但实际上，在物理学领域，计算物理量的公式越简洁，才被认为越接近真理。

广义相对论的提出适逢德国和奥匈帝国在欧洲东线战场上对战俄罗斯帝国。和不少欧洲科学家一样，41 岁的德国科学家史瓦西也应征上了前线。他在家乡是公认的天才，16 岁时就发表了两篇关于双星轨道的论文。在东线战场上，他被编入了炮兵连，负责为士兵计算火炮弹道的相关数据。

广义相对论发表后，几天之内文本就传遍世界，史瓦西也收到了相关材料。他一看到这个大胆又优雅的新理论，立刻被它迷住。在接下来的日子里，他利用工作间隙，开始投入到对这10 个方程的计算中。废寝忘食的计算工作，让他忘记了盘旋在东线战场上空的恐惧。

广义相对论告诉我们，空间是可以被物质（或能量）弯曲的

计算出黑洞的男人

如果地球坍缩成黑洞，其直径将只有9 毫米

史瓦西被称为“计算出黑洞存在的男人”

很快，史瓦西就发现爱因斯坦的方程组过于繁复，而且爱因斯坦的思路也是起源于19 世纪的陈旧套路。而史瓦西非常熟悉计算弯曲空间的黎曼几何，这是一种新的几何思维。在简化了一系列基本前提后，史瓦西利用黎曼几何将爱因斯坦的10 个方程组简化为了一个方程，并奇迹般地算出了这个方程的唯一精确解。

1915 年12 月22 日，史瓦西将计算过程写成论文，寄给了爱因斯坦。爱因斯坦不久后给史瓦西回信说：“我没想到居然有人能以如此简洁的方法算出这个问题的解。我非常喜欢你的方法。”

史瓦西并未满足，因为他只计算出了球形天体外部的时空弯曲，那么内部呢？在套用自己创立的方程后，他有了难以置信的发现：如果天体被自身引力压缩到一定的半径内，严重扭曲的时空就将成为一个无底洞，任何进入这个无底洞的物质，哪怕是光，也休想从中逃走。

史瓦西无论如何不敢相信宇宙中会有这种怪物天体存在。按照他的计算，地球如果被压缩到只有9 毫米直径，就会成为这样的怪物（这只是理论值，其实只有质量至少为20 倍太阳质量的天体才有可能发生这种变化）。史瓦西将他对这个怪物天体的计算结果寄给了爱因斯坦。1916 年2 月13 日，爱因斯坦向普鲁士科学院提交了这份计算结果。不幸的是，史瓦西因病于1916 年5 月11 日与世长辞。

天空中的神秘X 射线源

1963 年，一名美国物理学家将史瓦西计算出的怪物天体命名为黑洞。但当时的科学家都觉得黑洞只存在于理论中，就连爱因斯坦本人也不愿意承认黑洞的存在。

1964 年的一天，在美国新墨西哥州的一个导弹基地，一枚火箭腾空而起，上升到高层大气。它在升空时不断旋转，其搭载的放射性探测器扫描整个天空，并记录到了除太阳外的多个X 射线源，其中信号最强烈的一个位于天鹅座方向。这个神秘的强X 射线源被命名为天鹅座X-1。一些科学家猜测天鹅座X-1 很可能就是一个黑洞，但也有科学家不这么认为。

格林尼治天文台

天鹅座X-1 不断吸积蓝色恒星的物质

在1964 年之前，科学家对黑洞的认识还很粗浅，认为它就是一个让物质有进无出的洞。1964 年到1973 年，科学家经过大量计算，得出黑洞不但会旋转，还会引起周围的时空波澜。

1971 年，英国科学家穆丁来到大名鼎鼎的英国格林尼治天文台工作。该天文台位于一座建于15 世纪的城堡的八角屋中。同年秋天，穆丁和另一名天文学家韦伯斯特发现，在天鹅座X-1 区域内，一颗蓝色恒星正围绕着虚空运行，在其轨道中央似乎存在一颗不会发光的大质量天体。蓝色恒星是恒星家族中的“大块头”，它们所围绕天体的质量肯定也很大，但为何这个神秘天体不发光？

根据蓝色恒星的预测质量和其5、6 天围绕神秘天体运行一周的速度，穆丁和韦伯斯特计算出了那个神秘天体的质量：可能为4 倍太阳质量，甚至可能是6 倍。当时人类发现的致密天体只有白矮星和中子星，但理论上这两类天体的质量都不会大于太阳质量的两倍。那么，蓝色恒星围绕的是什么天体？穆丁和韦伯斯特推测它就是黑洞。

他们认为，蓝色恒星和黑洞形成双星系统，黑洞不断从蓝色恒星上剥离物质，这些物质在落入黑洞的过程中因摩擦而被加热到极高温度，从而释放X 射线。他们将这一理论写成一篇论文，打算投给《自然》期刊。但他们的上级、皇家天文台台长理查德根本不相信黑洞存在，还担心这样的文章会招来耻笑。不过，在其他资深天文学家的调解下，理查德最终同意发表此文。

这篇论文发表于1972 年1 月的《自然》杂志上，穆丁因此名声大噪，获得了格林尼治天文台终生职位。此后，人类又接连发现疑似黑洞。人类终于打破了对黑洞只存在于理论中的认识。后来，经过盖亚卫星和甚长基线干涉阵列的多次测量，科学家测得天鹅座X-1 黑洞距离地球7000 多光年，质量约为太阳的20 倍。

大黑洞和小黑洞

在人类发现的所有黑洞中，有一类黑洞可谓“另类”。一位美国天文学家发现了被称为“类星体”的奇异天体。类星体其实是新生星系的核心，虽然体积没有太阳系大，释放的能量却高达银河系总能量的数千倍。科学家普遍认为，类星体的本质是活跃的星系核，其内部是一个质量高达数百万倍乃至数百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。

按照质量大小，黑洞可分为三类：

大质量恒星在自身引力作用下坍缩而成的黑洞。

更大质量的恒星形成的黑洞。

位于所有已知星系中央的巨型黑洞，其质量远超前两类黑洞。

恒星黑洞和中等质量黑洞都可以由恒星演化而来，但超大质量黑洞的形成过程至今都是个谜，因为宇宙中不存在质量大到能一次性形成超大质量黑洞的恒星。对此，科学家提出了两种可能性：星系尘埃不断吸引、聚集并形成超大质量黑洞；恒星黑洞或中等质量黑洞不断融合，形成超大质量黑洞。

进入20 世纪90 年代，哈勃太空望远镜的升空让天文学家知道，几乎每个星系的中央都潜伏着一个超大质量黑洞，我们所在的银河系也不例外。银河系中心的超大质量黑洞被命名为“人马座A＊”，其中“人马座”代表银心黑洞所在位置，“＊”代表“星”。人马座A＊在超大质量黑洞家族中只能算小个头，质量“只有”太阳质量的430 万倍。

虽然天文学家确信人马座A＊就是黑洞，但在2015 年前，一些科学家依然将它称为“某个非常致密的天体”。直到2015年引力探测器首次探测到了两个黑洞合并所产生的引力波时，黑洞的存在才成为铁一般的事实。

第一张黑洞照片

M87 黑洞

要研究黑洞，天文学家面临两个问题：银河系中确实存在不少恒星黑洞和中等质量黑洞，但它们不仅小，而且是黑的（至少从地球看去和太空的黑色背景没有区别）；超大质量黑洞虽然大且明亮（这种黑洞的外围是非常明亮的），但位于其他星系，距离我们过于遥远，难以观测。选来选去，有观测条件的黑洞就只剩下距离银河系较近的M87 星系中央黑洞（简称M87 黑洞），以及人马座A＊(简称银心黑洞)。

2012 年，世界各国的天文学家云集于美国亚利桑那州，提出了一个大胆的观测黑洞方案：利用位于南极洲、智利、墨西哥、美国和西班牙的8 座高素质射电望远镜组成一个口径尺寸相当于地球直径的虚拟望远镜，即“事件视界望远镜”。将这些望远镜收集的数据汇总到美国海斯塔克天文台进行处理，就能得到极远距离外黑洞的图像。

2019 年4 月10 日，事件视界望远镜项目组公布了第一张黑洞图像，但它并不是银心黑洞，而是比银心黑洞重1000倍、大1000 倍的M87 黑洞。这张图像的观测时间是在2017 年4 月。科学家对海量数据进行了为期2 年的处理，才得到了最后的图像。

M87 黑洞距离地球5500 万光年，质量是太阳质量的64 亿倍，是已知质量最大的黑洞之一，其中心呈黑色，周围有新月状光环环绕。要观测到这个黑洞，难度相当于在地球上用望远镜看清月球表面的一只足球。

银心黑洞成像难度更高

2022 年5 月12 日，事件视界望远镜项目组公布了第一张银心黑洞的照片。这个黑洞距离我们2.6 万光年，其中心黑暗区域是包括事件视界在内的黑洞，发亮的部分位于事件视界之外，它们被黑洞的引力加速到极大的速度，温度最高可达100 亿℃。

对银心黑洞和M87 中央黑洞的观测都在2017 年就完成了，只不过前者的成像难度远高于后者，因此前者图像的发布比M87 黑洞图像晚了3 年。之所以选择不先处理银心黑洞，是因为地球和银心黑洞之间有大量的环绕物质会干扰观测，同时银心黑洞附近区域是恒星的密集区，大量恒星的光芒也会干扰观测。

在M87 黑洞中央，黑洞吸积盘上的大量发光气体需要数周才能绕黑洞运行一周，但银心黑洞比M87 黑洞小得多，气体几分钟就环绕黑洞一周，这意味着在一整晚的观测过程中银心黑洞的成像始终在变化。科学家说，这就好像在晚上给一个到处乱跑的小孩拍照一样难。

事件视界望远镜的8 座望远镜都位于地面，它们在观测星空时都会受到大气的干扰，就像夏天站在河里的我们看水下的鱼一样——它们的形状被流动的河水严重扭曲。为了解决大气扰动对银心黑洞成像的影响，科学家借助了自适应光学技术。科学家从地面发射一束功率很强的黄色激光，高层大气中的钠离子受激发光，发光点被称为“钠引导星”。钠引导星同样会受大气扰动而产生畸变，但科学家只要能还原钠引导星本来的形状，就能用同样的参数还原黑洞的原样。

照片中发光的环形结构位于事件视界之外，明亮的环围绕着一个黑暗的中心区域，光明和黑暗的交接带就是黑洞的事件视界边缘。

这张图是人类第一次捕获银心黑洞的图像。有趣的是，银心黑洞和M87 黑洞外形十分接近，两者的相似性证实了广义相对论的一个预测：所有黑洞，无论大小，形状都是相似的。

黑洞的怪异之处

20 世纪70 年代初，美国物理学家惠勒向自己的学生提出了一个问题：“如果向黑洞中倒一杯茶，会发生什么？”惠勒关心的并不是黑洞会不会被热茶烫伤，而是想知道热茶中的热量和熵（物质无法被利用的能量）进入黑洞后会不会彻底消失。要知道，根据热力学定律，热量和熵是不会消失的。

1971 年，霍金提出了“黑洞面积定理”，即黑洞的事件视界的面积总是增大的。虽然霍金本人发现了黑洞的这个特点，但他也不清楚其中蕴含的意义。破解这个谜团的人是美国物理学家贝肯斯坦，根据他的计算，物体落入黑洞后的熵并不会消失，而是以事件视界表面积增加的形式被黑洞保留下来。

如果将热茶倒进黑洞，热茶的热量和熵又去了哪里

贝肯斯坦解释说，被黑洞吸收的物体的热量和熵依然会被黑洞保留

黑洞蒸发的原理

在贝肯斯坦解决了熵难题后，1974 年，霍金解决了黑洞的热问题。根据量子力学，真空并不是空的，亚原子粒子和它们的反粒子不断成对出现，又在一瞬间互相湮灭。这种现象如果发生在黑洞的事件视界附近，就会造成有趣的结果：被真空创造出来的一对粒子可能一个在事件视界内，另一个在事件视界外。位于事件视界之内的粒子会被黑洞强大的引力拉入奇点，位于事件视界之外的粒子则会因为失去了湮灭的对象，从而和其他具有相同遭遇的粒子一同逃离黑洞。也就是说，黑洞会不断对外辐射粒子——这种现象被称为霍金辐射。任何温度在绝对零度以上的物体都会向外辐射热能，黑洞也会向外辐射热能，因此黑洞也存在温度，被吸入黑洞的物体的热量并不会凭空消失。

黑洞里面有什么？

黑洞中心是一个质量、密度和引力都大到不可思议的奇点。根据广义相对论，奇点是时空曲率无限大的区域，时空也在奇点处完全消失，因此一切物理学原理都不适用于奇点。

黑洞并非毫无原则地吞噬接近自己的物体。如果飞船远远地经过黑洞，那么飞船的航行轨迹只会在黑洞引力下发生轻微偏转，就像经过某个普通恒星一样。但如果飞船太过靠近黑洞，那么飞船就会不可避免地被吸进黑洞中央。如果飞船进入的是一颗恒星黑洞，这类黑洞往往很小（黑洞大小指黑洞事件视界的半径），此时飞船头部受到的黑洞引力远远大于飞船尾部受到的引力，在巨大的引力差下，飞船会被撕成碎片，然后碎片会继续在强大的引力差下被拉成一根根“面条”，旋转着进入黑洞。但如果进入的是一个超大质量黑洞，那么飞船头尾受到的引力差就很小，飞船至少能够在进入事件视界之前保持完整，至于进入事件视界之后会发生什么，就不得而知了。

黑洞对于人类依然是非常神秘的存在（想象图）

爱因斯坦无法肯定黑洞的存在，是因为当时科学家认为只有从各个方向都完全对称的完美球体恒星才可能坍缩成奇点，而这样的恒星在宇宙中几乎不存在。不过，英国物理学家彭罗斯和霍金发现，只要恒星的质量达到一定临界点，不论恒星的形状是否完美对称，都会形成奇点。根据彭罗斯和霍金的理论，宇宙起源于一个奇点的大爆炸，并将会在某一天重新被挤压成一个奇点。虽然我们已经看见了黑洞，但人类对黑洞的探知远未结束。