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黑洞：你需要知道的一切
发布时间：2025-11-02 13:40:02 来源：熗冬筍網 作者：東營市
一個超大質量黑洞的藝術家插圖。漩渦狀的橙色線條環繞著中間的黑色圓圈。黑洞是太空中最迷人的物體之一。(圖片來源:solarseven via Getty Images)
（神秘的地球uux.cn）據美國太空網（By Daisy Dobrijevic, Nola Taylor Tillman）：黑洞是太空中一些最奇怪也最迷人的物體。它們密度極高，引力如此之大，以至於連光都無法逃脫它們的掌控。
銀河係可能包含超過1億個黑洞，盡管探測這些貪吃的野獸非常困難。銀河係的中心有一個超大質量黑洞——人馬座A*。根據美國宇航局的一份聲明，這個巨大的結構大約是太陽質量的400萬倍，距離地球大約26，000光年。
2019年，視界望遠鏡(EHT)合作捕捉到了第一張黑洞圖像。距離地球5500萬光年的M87星係中心的黑洞的驚人照片讓全世界的科學家興奮不已。
專家解答的黑洞常見問題
我們問了理論天體物理學家Priyamvada Natarajan一些關於黑洞的常見問題。
普裏亞姆瓦達·納塔拉詹理論天體物理學家耶魯大學天文係主任約瑟夫. s .和索菲婭. s .弗魯頓天文學教授和物理學教授。
黑洞是如何形成的？
黑洞預計通過兩種不同的渠道形成。根據第一種途徑，它們是恒星屍體，所以它們是在大質量恒星死亡時形成的。出生時質量大約是太陽質量的8到10倍以上的恒星，當它們耗盡所有的燃料——氫時，它們會爆炸並死亡，留下一個非常致密的物體，即黑洞。留下的黑洞被稱為恒星質量黑洞，其質量是太陽質量的幾倍。
不是所有的恒星都會留下黑洞，出生質量較低的恒星會留下中子星或白矮星。黑洞形成的另一種方式是氣體的直接坍縮，這一過程預計會產生更多質量更大的黑洞，質量從太陽質量的1000倍到太陽質量的10萬倍不等。這個通道繞過了傳統恒星的形成，被認為在宇宙早期運行，產生了更多的大質量黑洞種子。
誰發現了黑洞？
黑洞被預言為愛因斯坦方程的精確數學解。愛因斯坦的方程式描述了物質周圍的空間形狀。廣義相對論將幾何或形狀與物質的詳細分布聯係起來。
卡爾·史瓦西在1915年發現了黑洞的解決方案，這些區域——黑洞——被發現會極大地扭曲空間，並在時空結構中產生一個穿孔。當時還不清楚這些是否對應於宇宙中的真實物體。隨著時間的推移，隨著恒星死亡的其他最終產物被探測到，也就是被視為脈衝星的中子星，黑洞是真實存在的，並且應該存在，這一點變得越來越清楚。第一個被探測到的黑洞是天鵝座-X1。
黑洞會死嗎？
黑洞本身不會死亡，但理論上預計它們最終會在極長的時間尺度內慢慢蒸發。
黑洞是通過附近被巨大引力吸引的物質的增長而成長的。霍金預測，黑洞也可以輻射出能量，並非常緩慢地收縮。量子理論表明，虛粒子無時無刻不在出現和消失。當這種情況發生時，一個粒子和它的同伴反粒子出現了。然而，它們也可以重組並再次消失。當這個過程發生在黑洞視界附近時，奇怪的事情就會發生。而不是粒子反粒子對存在一會兒，然後互相湮滅，其中一個可以通過重力進入黑洞，而另一個粒子可以飛向太空。在很長的時間尺度上，我們談論的時間尺度比我們宇宙的年齡長得多，理論表明這種逃逸粒子的涓涓細流將導致黑洞慢慢蒸發。
黑洞是蟲洞嗎？
不，黑洞不是蟲洞。蟲洞可以被認為是連接時空兩個分離點的隧道。據信，黑洞的內部可能包含一個蟲洞，這個洞就是時空，它可能提供一個通往時空中另一點的入口，甚至可能在一個不同的宇宙中。
首次發現黑洞
阿爾伯特·愛因斯坦在1916年用他的廣義相對論首次預言了黑洞的存在。多年以後，美國天文學家約翰·惠勒在1967年創造了“黑洞”這個術語。幾十年來黑洞隻被認為是理論上的物體。
第一個被發現的黑洞是天鵝座X-1，位於銀河係內的天鵝座。根據美國宇航局的說法，天文學家在1964年發現了黑洞的第一個跡象，當時一枚探測火箭探測到了X射線的天體來源。1971年，天文學家確定X射線來自一顆明亮的藍星，它圍繞著一個奇怪的黑暗物體運行。有人認為，探測到的X射線是恒星物質被明亮的恒星剝離並被黑暗物體“吞噬”的結果，黑暗物體是一個吞噬一切的黑洞。
有多少黑洞？
一張深空影像顯示，在影像中心有一個微弱的藍色X射線源，表明人馬座A*的存在。銀河係中心存在一個超大質量黑洞人馬座A* (Sgr A*)。(圖片來源:NASA/UMass/D.Wang等人，IR: NASA/STScI)
根據太空望遠鏡科學研究所(STScI)的數據，每一千顆恒星中大約有一顆質量足以成為黑洞。由於銀河係包含超過1000億個統計數據，我們的家庭星係一定隱藏著大約1億個黑洞。
雖然探測黑洞是一項艱巨的任務，但美國宇航局的估計表明，銀河係中可能有多達1000萬到10億個恒星黑洞。
距離地球最近的黑洞被稱為“獨角獸”，大約位於1500光年之外。這個昵稱有雙重含義。黑洞候選體不僅位於麒麟星座(“獨角獸”)，其難以置信的低質量——大約是太陽的三倍——使它幾乎是獨一無二的。
黑洞圖像
圍繞黑色圓圈的橙色發光環。事件視界望遠鏡是一個由八個地麵射電望遠鏡組成的行星級陣列，通過國際合作打造，捕捉到了這張M87星係中心超大質量黑洞及其陰影的圖像。(圖片鳴謝:EHT協作)
2019年，視界望遠鏡(EHT)合作發布了有史以來第一張記錄黑洞的圖像。EHT在M87星係中心看到了黑洞，當時望遠鏡正在檢查活動視界或任何東西都無法逃離黑洞的區域。該圖像描繪了光子(光粒子)的突然損失。這也打開了黑洞研究的一個全新領域，現在天文學家知道了黑洞的樣子。
2021年，天文學家展示了M87中心巨型黑洞的新視圖，展示了這個巨大結構在偏振光下的樣子。由於偏振光波與非偏振光相比具有不同的方向和亮度，新圖像顯示了黑洞的更多細節。極化是磁場的一個特征，這幅圖像清楚地表明黑洞的環被磁化了。
橙色發光環，周圍是黑色圓圈，內部有光線。繼2019年第一張黑洞圖像發布後，天文學家捕捉到了黑洞的新偏振視圖。(圖片鳴謝:EHT協作)
2022年5月，科學家們展示了銀河係中心超大質量黑洞的曆史首張圖像——速騰A*。
黑洞是什麽樣子的？
黑洞有三個“層”:外部和內部事件視界，以及奇點。
黑洞的視界是黑洞口周圍的邊界，光不能越過它。一旦一個粒子穿過視界，它就不能離開。引力在整個視界中是不變的。
物體質量所在的黑洞內部區域被稱為奇點，即黑洞質量集中的時空單點。
科學家們不能像觀察眼冒金星和太空中的其他物體那樣觀察黑洞。相反，天文學家必須依靠探測黑洞在塵埃和氣體被吸入致密生物時發出的輻射。但是，位於星係中心的超大質量黑洞可能會被周圍厚厚的塵埃和氣體所覆蓋，從而阻止泄露信號的發射。
有時，當物質被吸向黑洞時，它會從視界反彈出去，並被拋出去，而不是被拖入黑洞。明亮的物質噴流以接近相對論的速度行進。雖然黑洞仍然看不見，但這些強大的噴流可以從很遠的地方看到。
EHT的M87黑洞圖像(2019年發布)是一項非凡的努力，即使在圖像拍攝後也需要兩年的研究。這是因為遍布全球許多天文台的望遠鏡合作產生了驚人的數據量，這些數據量太大，無法通過互聯網傳輸。
隨著時間的推移，研究人員希望對其他黑洞進行成像，並建立一個關於這些物體外觀的知識庫。下一個目標很可能是人馬座A*，它是我們銀河係中心的黑洞。2019年的一項研究報告稱，人馬座A*非常有趣，因為它比預期的更安靜，這可能是因為磁場抑製了它的活動。那年的另一項研究表明，人馬座A*周圍有一個冷氣體暈，這讓人們對黑洞周圍的環境有了前所未有的了解。
圖示顯示了黑洞的各個層次，包括吸積盤、事件視界、相對論噴流、奇點、光子球和最內部的穩定軌道。ESO的黑洞解剖圖顯示了黑洞的樣子，並標明了不同的組成部分。(圖片鳴謝:ESO)
黑洞的類型
到目前為止，天文學家已經確定了三種類型的黑洞:恒星黑洞、超大質量黑洞和中間黑洞。
恒星黑洞——雖小卻致命
當一顆恒星燃盡最後一點燃料時，這個物體可能會坍縮，或者墜入自身。對於較小的恒星(質量達到太陽的三倍左右)，新的核心將成為中子星或白矮星。但是當一顆更大的恒星坍縮時，它會繼續壓縮並產生一個恒星黑洞。
由單個恒星坍塌形成的黑洞相對較小，但密度驚人。其中一個天體的直徑是太陽質量的三倍多。這導致了一個瘋狂的引力吸引著物體周圍的物體。恒星黑洞然後消耗來自周圍星係的塵埃和氣體，這使它們的尺寸不斷增長。
超大質量黑洞——巨人的誕生
小型黑洞遍布宇宙，但它們的近親超大質量黑洞占據主導地位。這些巨大的黑洞的質量是太陽的數百萬倍甚至數十億倍，但直徑卻幾乎相同。這種黑洞被認為位於幾乎每個星係的中心，包括銀河係。
科學家不確定如此大的黑洞是如何產生的。一旦這些巨行星形成，它們就會從周圍的塵埃和氣體中聚集質量，這些物質在星係的中心非常豐富，這使得它們可以增長到更大的尺寸。
超大質量黑洞可能是成百上千個微小黑洞合並的結果。大型氣體雲也可能是原因之一，它們一起坍塌並迅速增大質量。第三種選擇是星團的崩潰，一群恒星一起墜落。第四，超大質量黑洞可能來自大團暗物質。這是一種我們可以通過它對其他物體的引力作用來觀察的物質；然而，我們不知道暗物質是由什麽組成的，因為它不發光，無法直接觀察到。
中間黑洞
科學家們曾經認為黑洞隻有小和大兩種尺寸，但研究揭示了中型或中間黑洞(IMBHs)存在的可能性。當星團中的恒星以連鎖反應碰撞時，就可能形成這樣的天體。在同一個區域形成的幾個IMBHs最終可能會一起墜落在星係中心，形成一個超大質量黑洞。
2014年，天文學家在一個螺旋星係的臂中發現了一個似乎是中等質量的黑洞。2021年，天文學家利用一次古老的伽馬射線爆發探測到了一個。
“天文學家一直在努力尋找這些中等大小的黑洞，”該研究的合著者，英國杜倫大學的蒂姆·羅伯茨在一份聲明中說。“有跡象表明它們的存在，但IMBHs一直表現得像一個失散多年的親戚，對被找到不感興趣。”
2018年的研究表明，這些IMBHs可能存在於矮星係(或非常小的星係)的中心。對10個這樣的星係(其中五個在最近的調查之前是未知的)的觀察揭示了X射線活動——在黑洞中很常見——表明存在36，000到316，000太陽質量的黑洞。這些信息來自斯隆數字巡天，它檢查了大約100萬個星係，可以檢測到經常觀察到的來自黑洞的光，這些黑洞正在收集附近的碎片。
二元黑洞:雙重麻煩
圖解顯示了一個巨大的黑色圓形空洞-一個超大質量黑洞，左邊有一個較小的黑色圓圈-一個伴星黑洞。一個超大質量黑洞和一個環繞它運行的伴黑洞的藝術家插圖。(圖片來源:加州理工學院IPAC分校)
2015年，天文學家利用激光幹涉儀引力波天文台(LIGO)探測到來自恒星黑洞合並的引力波。
“我們進一步證實了大於20個太陽質量的恒星質量黑洞的存在——在LIGO探測到它們之前，我們不知道這些物體的存在，”LIGO科學合作組織(LSC)的發言人舒德偉在一份聲明中說。LIGO的觀察也提供了對黑洞旋轉方向的洞察。當兩個黑洞互相環繞時，它們可以同向或反向旋轉。
關於二元黑洞是如何形成的，有兩種理論。第一種說法認為，這兩個黑洞在大約同一時間以雙星的形式出現，它們來自兩顆誕生在一起並在大約同一時間爆炸死亡的恒星。伴星會有相同的自旋方向，所以留下的兩個黑洞也會如此。
在第二個模型中，恒星團中的黑洞下沉到星團的中心並配對。根據LIGO科學合作組織的說法，這些同伴相互之間會有隨機的自旋方向。LIGO對具有不同自旋取向的伴黑洞的觀察為這一形成理論提供了更有力的證據。
“我們開始收集關於二元黑洞係統的真實數據，”加州理工學院的LIGO科學家Keita Kawabe說，他在LIGO漢福德天文台工作。“這很有趣，因為即使是現在，一些黑洞雙星形成的模型也比其他模型更受青睞，在未來，我們可以進一步縮小範圍。”
黑洞事實
1.如果你掉進一個黑洞，理論一直認為重力會像意大利麵條一樣把你拉長，盡管你會在到達奇點之前死亡。但2012年發表在《自然》雜誌上的一項研究表明，量子效應會導致事件視界像一堵火牆一樣，會立即將你燒死。
2.黑洞不吸。吸力是由把東西拉進真空引起的，而大質量黑洞肯定不是。相反，物體會像它們向任何施加重力的物體(比如地球)墜落一樣落入其中。
3.第一個被認為是黑洞的物體是天鵝座X-1。天鵝座X-1是1974年斯蒂芬·霍金和他的物理學家同事基普·索恩友好打賭的主題，霍金打賭該源不是黑洞。1990年，霍金承認失敗。
4.微型黑洞可能在大爆炸後立即形成。快速膨脹的空間可能已經將一些區域擠壓成微小、致密的黑洞，其質量不及太陽。
5.如果一顆恒星離黑洞太近，它就會被撕裂。
6.天文學家估計，銀河係有1000萬到10億個恒星黑洞，質量大約是太陽的三倍。
7.黑洞仍然是科幻書籍和電影的絕佳素材。看看電影《星際穿越》吧，它在很大程度上依賴索恩將科學融入其中。索恩與電影特效團隊的合作使科學家們更好地理解了當在快速旋轉的黑洞附近觀察時，遙遠的恒星可能會出現的情況。
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