簡(jiǎn)介：關(guān)于黑洞的介紹。

一個(gè)畫(huà)家是這樣描繪天鵝座X-1星系的：一個(gè)有著恒星質(zhì)量的黑洞與一顆距離地球7200光年的伴星一起繞軌道運(yùn)行。（圖片來(lái)源：國(guó)際射電天文學(xué)研究中心）

黑洞是宇宙中引力巨大，連光都無(wú)法逃脫的區(qū)域。黑洞不是一個(gè)空的空間，而是一個(gè)被宇宙中的物質(zhì)塞滿的一個(gè)小小塞孔。

誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了黑洞？

物理學(xué)家卡爾·史瓦西爾德在1916年偶然間發(fā)現(xiàn)了黑洞，那時(shí)的他正在進(jìn)行針對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論解決方案的研究。他試圖找到解決單個(gè)對(duì)稱物質(zhì)球體引力的方法——例如太陽(yáng)是銀河系的中心。但是這個(gè)辦法有個(gè)特征，即在一個(gè)特定半徑下表現(xiàn)異常，如今稱為史瓦西爾德半徑。

很快他就意識(shí)到為什么這個(gè)半徑很特殊。如果將物體的質(zhì)量壓縮到小于該半徑的空間中，它的引力會(huì)比所有已知力量都大，而且任何物質(zhì)都無(wú)法從這里出去。早期科學(xué)家稱這種情況永遠(yuǎn)都不會(huì)出現(xiàn)。但在二十世紀(jì)三十年代，印度科學(xué)家蘇布拉曼揚(yáng)·錢德拉塞卡得出了在一定密度以上，沒(méi)有力可以壓倒重力的理論，這也證實(shí)了宇宙中的確會(huì)有黑洞的存在。然而，黑洞只能在這種低端的條件下形成。

黑洞是如何形成的？

恒星的核心內(nèi)部發(fā)生核聚變的動(dòng)力使其能產(chǎn)生光和熱，在那里兩個(gè)輕質(zhì)原子融合在一起形成一個(gè)較重的原子，這個(gè)過(guò)程釋放出了能量。那些較重的原子又相互融合成更重的原子，這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)從而保證這顆恒星可以散發(fā)出光和熱。

在融合的過(guò)程中，兩個(gè)或更多的粒子碰撞而形成更大的產(chǎn)物。在這幅圖中，氘和氚結(jié)合在一起使氦與中子一起發(fā)射，這就是恒星產(chǎn)生能量的方式。（圖片來(lái)源：馬克·加里克/科學(xué)照相館/蓋蒂）

因此，當(dāng)臨近生命終結(jié)的恒星質(zhì)量超過(guò)我們太陽(yáng)質(zhì)量的八倍時(shí)，它們不斷在核心部分聚集像硅和鎂這種質(zhì)量越來(lái)越高的物質(zhì)。實(shí)際上這些物質(zhì)正在形成鐵。問(wèn)題是，融合鐵需要的能量比反應(yīng)產(chǎn)生的能量還要多，另外在這種情況下，什么都不可以抵消掉恒星自身質(zhì)量的內(nèi)向引力。緊接著這顆極重的恒星就自身坍塌了。在整個(gè)極其沉重的重力作用下，恒星的核心被擠壓到史瓦西爾德半徑之外，黑洞就形成了。

由于沒(méi)有任何已知力量可以阻止這個(gè)坍塌，一旦恒星變成了黑洞它就會(huì)一直向下擠壓直至形成一個(gè)奇點(diǎn)——也就是一個(gè)無(wú)限密度的點(diǎn)。圍繞著奇點(diǎn)的是黑洞表面，這是一個(gè)無(wú)形的球形邊界，也標(biāo)志了黑洞的入口。一旦有東西接近黑洞表面，它就絕不可能逃開(kāi)。如果想要逃脫開(kāi)，它就必須比光速還要快，但由于沒(méi)有任何物體的移動(dòng)速度超過(guò)光速，因此，它指定成為黑洞的“盤(pán)中餐”

比太陽(yáng)質(zhì)量高出數(shù)百萬(wàn)倍的超大黑洞靠著吞噬周邊的星體，加上與其他黑洞合并，在億萬(wàn)年前就有所形成了。

黑洞內(nèi)部發(fā)生了什么？

黑洞內(nèi)部絕不是什么都不存在。在黑洞內(nèi)部，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)極大的重量都?jí)旱偷揭粋€(gè)無(wú)限小的點(diǎn)，那個(gè)奇點(diǎn)的引力就無(wú)可避免的會(huì)承擔(dān)所有的重量。如同科羅拉多大學(xué)博爾德分校和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的聯(lián)合研究所闡明：無(wú)論你面朝哪個(gè)方向，無(wú)論你費(fèi)多大力想逃脫，最終你一定會(huì)在有限時(shí)間內(nèi)抵達(dá)那個(gè)奇點(diǎn)。

物理學(xué)家們無(wú)法得知在黑洞的奇點(diǎn)中都發(fā)生了什么，在這個(gè)如此極端的環(huán)境下，我們目前所有的物理知識(shí)都無(wú)法解釋。

科學(xué)家們?nèi)绾蔚弥诙词钦鎸?shí)存在的？

盡管科學(xué)家們?nèi)鄙賹?duì)黑洞內(nèi)部狀態(tài)的認(rèn)知，但他們證明了黑洞是真實(shí)存在的。美國(guó)宇航局稱，最早證實(shí)黑洞的存在的證據(jù)就是天鵝座X-1，那是距我們約6,000光年的X射線的亮源。對(duì)該星系的觀測(cè)顯示出一個(gè)小而密度高的黑暗伴星，也就是黑洞，他將繞軌運(yùn)行的大氣變成漏斗形狀。天文學(xué)家無(wú)法觀測(cè)到黑洞的本體，但是當(dāng)氣體降到黑洞表面時(shí)時(shí)，它的溫度會(huì)升高并以X射線的形式發(fā)出能量。

天鵝座X-1黑洞正在將一顆龐大的藍(lán)色伴星的物質(zhì)吸進(jìn)它內(nèi)部，這些物質(zhì)在黑洞周圍形成了吸積盤(pán)。（圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局）

黑洞有多大？

天鵝座X-１的黑洞約為太陽(yáng)質(zhì)量的２０倍，是整個(gè)宇宙中典型的黑洞質(zhì)量。根據(jù)美國(guó)宇航局的報(bào)道，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了銀河系中的１千萬(wàn)到十億顆黑洞。已知距離我們最近的黑洞就是天鵝座X-１，它潛伏在距離我們６０００光年遠(yuǎn)的位置上（當(dāng)然還有據(jù)我們１０００光年的黑洞未被證實(shí)）

但在銀河系的中心——也在大多數(shù)星系的中心位置——存在著怪物一般的超大質(zhì)量黑洞。超大質(zhì)量黑洞是太陽(yáng)質(zhì)量的大約數(shù)百萬(wàn)倍，有的甚至是太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)千億倍。這種有著驚人質(zhì)量的黑洞已經(jīng)靠著吸收周圍物質(zhì)、與其他黑洞合并而存在大約億萬(wàn)年之久了。

（圖解：在左邊，一團(tuán)發(fā)光的氫氣呈現(xiàn)黃色。在右邊，藍(lán)色的光是銀河系中心一個(gè)正在成長(zhǎng)的超大質(zhì)量黑洞。）

圖源：X射線（美國(guó)航天局/CXC/達(dá)勒姆大學(xué)/亞歷山大等）；光學(xué)(NASA/ESA/STScI/IoA/S.Chapman萊蒙-阿爾法光學(xué)公司（ NAOJ /斯巴魯/東北大學(xué)/ T . Hayashino 等）；紅外線公司（ NASA / JP L -加州理工學(xué)院/達(dá)勒姆大學(xué)/ J . Geach 等）

黑洞看起來(lái)是什么樣子的？

第一張黑洞的照片顯示在黑洞的外圍有著一圈黃色的光環(huán)。

下圖就是第一張黑洞的照片：（圖片來(lái)源：事件視界望遠(yuǎn)鏡協(xié)作）

黑洞就如同它的名字，它的內(nèi)部是黑色的，發(fā)射不出任何光源。但是天文學(xué)家們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)黑洞對(duì)于其他物質(zhì)的引力作用，以及它們混亂的吸收任何物質(zhì)的習(xí)慣來(lái)觀測(cè)到它們。

由于黑洞產(chǎn)生的類星體，天文學(xué)家們能夠看到它們，尤其是超大質(zhì)量黑洞。類星體是非常強(qiáng)烈的無(wú)線電放射源。當(dāng)物體掉落到黑洞表面，它會(huì)在天鵝座X-1的增強(qiáng)版中逐漸被擠壓和加熱。美國(guó)宇航局稱，黑洞周圍物質(zhì)形成的吸積盤(pán)比整個(gè)宿主星系都亮，并且能夠?qū)⒔咏馑俚臉O熱粒子發(fā)射到數(shù)萬(wàn)光年以外。

（圖解：該藝術(shù)家展示了一個(gè)以超大質(zhì)量黑洞為核心的星系。 黑洞正在射出無(wú)線電波。圖源：美國(guó)宇航局/ JPL-Caltech）

另一種能夠觀測(cè)到黑洞的方法就要等到兩個(gè)黑洞合并的時(shí)候了。當(dāng)兩個(gè)黑洞碰撞在一起時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生引力波。這些波紋極其脆弱，但是在地球上的敏感儀器還是能夠感知到。迄今為止，天文學(xué)家已經(jīng)見(jiàn)證了50個(gè)黑洞合并的過(guò)程。

實(shí)際上，黑洞真實(shí)的“照片”拍攝于2019年，當(dāng)天文學(xué)家用事件視界望遠(yuǎn)鏡——一個(gè)遍布世界的網(wǎng)絡(luò)——拍攝這張?jiān)贛87 *黑洞周圍旋轉(zhuǎn)著的明亮的吸積盤(pán)圖像時(shí)，《生命科學(xué)》正在做報(bào)道。M87 *黑洞比太陽(yáng)重30億倍，位于距我們50，000，000多光年的星系中，在圖片中它看起來(lái)像一個(gè)扭曲的橙子味的甜甜圈。由于天文學(xué)家不可能拍攝到黑洞自身的照片（因?yàn)闆](méi)有光可以逸出），因此他們看到的是它的“影子”，也就是圍繞著它的發(fā)光物質(zhì)中的洞。

假如你掉進(jìn)了黑洞會(huì)怎樣？

我們應(yīng)該慶幸距離我們最近的黑洞在數(shù)千光年之外。從遠(yuǎn)處看，黑洞表現(xiàn)得就像宇宙中任何其他大型物質(zhì)一樣。事實(shí)上，如果把我們的太陽(yáng)用同質(zhì)量的黑洞來(lái)代替，地球的運(yùn)行軌道當(dāng)然也會(huì)維持不變（即使所有的植物都會(huì)死掉，但這又是另一個(gè)問(wèn)題了）。但是在這個(gè)黑洞附近，極其強(qiáng)大的引力會(huì)在你到達(dá)黑洞表面之前，把你從頭到腳拉成一條細(xì)長(zhǎng)的粒子鏈，我們可以將這個(gè)狀態(tài)優(yōu)雅的稱為“意大利面條化”。

BY: Paul Sutter

FY: 裴昕玥_Pepper

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