探秘黑洞：寻找宇宙“引力怪兽”，新“黑洞”简史

时空中的无底深渊、深藏不露的引力陷阱……在史蒂芬·霍金的科学名著《时间简史》中，黑洞是宇宙中最为神秘的天体之一——宇宙“引力怪兽”黑洞具有强大的吸力，远看就像一个一望无尽的黑色深渊，会将周围所有的东西都吸引进去，甚至能够吞噬行星，撕碎太阳系。连光都不能在黑洞处存在，一照射进去就会瞬间被吞没只有一片漆黑。

近日，一个爆炸性的重大消息轰动了全球天文界——在全球多地同步发布了人类首次拍摄的黑洞照片引发巨大热议。

1795年，法国数学家拉普拉斯在通过计算得出：如果天体的质量非常大时，根据牛顿万有引力定律，其引力将极其大，以至于光也不能从这样的天体上射到外部空间去。外部的人就看不到它，则该天体是“黑的”。

1915年，爱因斯坦提出真正“预见”黑洞的广义相对论，预言存在黑洞这样一种天体，他认为，“黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内，我们预期黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域”。

1916年，德国天文学家史瓦西发现所有的星体都存在一个史瓦西半径，如果星体的实际半径比它的史瓦西半径要小，那么它就会变成一个黑洞。比如，太阳的史瓦西半径是3000米。

1939年，奥本海默和他的研究生斯奈德用广义相对论分析了气体球塌缩后得出结论，认为在宇宙中是有“暗星”存在的，但“黑洞”一词作为物理学名词是由美国天体物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒1967年正式提出的，此后，科学界不断收获关于黑洞的研究成果。在此之前，人们是用暗星、冻结星、坍缩星这类名词来称呼“黑洞”的。

1970年，美国的“自由”号人造卫星发现位于天鹅座X-1上一个比太阳重30多倍的巨大星球，被一个重约10个太阳的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞，这是人类发现的第一个黑洞。

1974年，英国物理学家霍金证明黑洞具有与其温度相对应的热辐射，称为“黑洞辐射”。黑洞的质量越大，温度越低，辐射过程就越慢。

2019年4月10日，人类首张黑洞照片“冲洗”完成，这一神秘天体终于被人类看到了真容——数百名科学家参与合作的“事件视界望远镜（EHT）”项目发布了人类拍到的首张黑洞照片。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。

近年来随着人们对宇宙发展研究的深入，当质量较小的恒星演化形成的最终产物——白矮星、中子星已被证实在宇宙中存在时。那么大质量的恒星在演化过程中形成的最终产物——黑洞在宇宙中也应该存在，但因为任何物质和光进入黑洞，就再也无法从其内逃脱出来，致使观测者无法通过实验直接观看到它。

既然黑洞存在，则它的对称物——白洞也就应该存在，银河系大约有1千亿颗可见恒星，在宇宙中存在着更多的恒星，其中许多已经死亡，研究黑洞、白洞对解决宇宙中大质量恒星的最终归宿问题有着重要意义。

黑洞是大型恒星衍变到后期的结果，经过膨胀、坍缩，其内部压力变得极为庞大，密度可以达到每立方厘米的质量几十亿吨，而且几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处。这样庞大的密度导致在黑洞周围的一定区域内，连光也无法逃逸出去，这个边界称为“事件视界”。而没有光，人类也就无法看见黑洞。

人类要认识恒星级黑洞的形成过程，就应先认识恒星的演化过程，在恒星的演化过程中，恒星通过内部氢→氦聚变放出大量的能量，形成主序星，由于氢、氦燃料不断燃烧，在演化晚期，氢、氦燃料消耗完后，恒星会在其自身引力的作用下不断收缩，其核心密度越来越大，引力越来越强，最终变成为高度压缩状态。

按恒星质量的大小，最终坍缩成白矮星、中子星或黑洞。自身质量较小的恒星会演化形成白矮星、中子星，自身质量较大的恒星会形成黑洞，所以恒星最终是形成黑洞，还是白矮星或中子星，取决于恒星质量的大小，

当恒星的质量小于或等于12～14倍的太阳质量时，在恒星中产生的费米电子简并压力能够与恒星的自身引力抗衡，这样就阻止了恒星的进一步坍缩，并最终演化成白矮星。

质量再大一些的恒星，即质量大于12～14倍太阳的质量，由于恒星自身质量越大，其引力也越大，恒星中产生的费米电子简并压力已不能与恒星的自身引力抗衡了，从而引起恒星的进一步坍缩，并使超新星爆发向外喷发大量物质和辐射，剩余的密度极高的核将电子吸入原子核，并与核中的质子结合成中子，此时恒星的残余物质就主要由中子组成，而恒星中由中子产生的中子简并压远大于费米电子简并压，这时中子简并压力又能够平衡恒星自身的引力收缩，这样恒星就演化成密度为几亿t／cm³的中子星。

当恒星的质量大于3倍的太阳的质量时，因恒星自身引力的进一步加大，导致中子简并压力不能与引力抗衡，这时在已知的物理学范畴内已找不到一种力可以和坍缩引力抗衡，收缩将不可阻挡，星体将在不到1s内迅速坍缩到施瓦西半径之内，这时恒星就演化成体积无限小而密度“无限大”的奇态星体。其周围存在着极其强的引力场，致使时空极度弯曲、时间无限膨胀而形成一个黑洞。

科学家认为，并不是质量超过3倍太阳质量的主序星就能够演化成黑洞，据估计只有当主序星的质量达到20倍太阳的质量以上才能演化成黑洞，因为主序星在形成黑洞时也有激烈的超新星爆发，最后剩余的致密核心残骸才是形成黑洞的物质。

目前关于超大质量黑洞形成原因的说法有很多，比如形成于大量恒星致密聚集的一个区域，或由一些恒星形成的小黑洞融合而成等等，其具体形成原因还有待进一步 探索 。

那么黑洞有多大呢？根据施瓦西黑洞半径公式RS=2GM/C2(RS为史瓦西半径，G是万有引力常数，M是天体的质量，C是光速。用这个公式，对于一个与地球质量相等的天体，其史瓦西半径仅有9mm，而太阳的史瓦西半径约为3km。在公式中，G和C都是常数，RS与质量成正比，而且和天体的组成元素也毫无关系，从这样的关系可以看出，质量增加一倍，半径增加一倍，显而易见，这里出现了几何问题。对于一个球体来讲，半径增加一倍，体积增加7倍。这样的变化使视界的重力场越来越小，这样的结果不能不让人感到困惑。就普通的情况而言，两个质量相同的铁球相加，质量增加了一倍，体积也只能增加一倍。就两个质量相同的黑洞而言，把它们加在一起质量和体积也只能增加一倍。可见小黑洞的密度大得不可想象，如10亿t的小黑洞才达到质子的大小，地球质量的黑洞其半径还不到1cm。

目前，天文学家们根据质量的不同将黑洞分类成：恒星级质量黑洞（质量从几倍到几百倍太阳质量）、超大质量黑洞(质量大于几百万倍太阳质量）、介于恒星级和超大质量黑洞之间的中等质量黑洞三大类。按黑洞无毛定律可分为四类：角动量和电荷二者都等于零，而质量不为零的黑洞是施瓦西黑洞；角动量等于零，电荷和质量二者都不为零的黑洞称为Reissner-Nordstrom黑洞；电荷等于零，角动量和质量二者都不为零的黑洞为克尔黑洞；角动量、电荷、质量三者都不为零的黑洞称为克尔——纽曼黑洞。

不过，黑洞吞噬周围气体是有节制的。黑洞在吸积吞噬周围物质时，物质下落释放的引力能会转化为辐射，当吞食的物质累积到一定程度，向外的辐射压会阻止物质的进一步下落。当天体作用于一个粒子上的引力和辐射压刚好平衡时，对应的临界吸积率称作爱丁顿吸积率。一般情况下，爱丁顿吸积率是黑洞吸积物质的最大效率。

观测发现，在宇宙早期，比如宇宙大爆炸之后10亿年内，就存在质量为百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这令人疑惑如果说它是从一个婴儿（种子）黑洞长大的，这个婴儿黑洞得多大？婴儿黑洞如何吞噬周围气体尘埃食物，才能长成实际观测到的大胖子呢？

最自然的一类种子黑洞要寻根于宇宙大爆炸后几亿年左右形成的第一代星系。它们中的大质量恒星快速演化到晚期，发生超新星爆炸，核心残留的天体便是质里约几百倍太阳质量的黑洞。但如果假设种子黑洞是这类恒星级质量黑洞，鉴于质里增长的速度受爱丁顿吸积率限制，那么即使种子黑洞一直以最快速度成长，质置增长到十亿、百亿倍太阳质量所需要的时间也远远超过它的年龄，这就带来了所谓的黑洞成长时间危机问题。

白洞是黑洞的对称物。根据对称性原理，白洞实质上就是黑洞的时间反演，有黑洞解就应有白洞解，无论多少物质一但掉入黑洞就消失了，比太阳大的质量掉入一个“点”中不见了；与黑洞相反，白洞不断向外喷射物质和向外辐射，据推算白洞只能产生于宇宙的初始大爆炸，在用现有的理论无法描述的超密状态中才可能产生白洞。

1974年，霍金提出黑洞具有量子性质的温度辐射，能量可以通过霍金辐射从黑洞中传出，则黑洞不黑。例如10亿t级的小黑洞，根据计算温度可达到10K，即温度高达几千亿度，不但不是“黑”的洞。相反是非常明亮的光源，实际上就是一个白洞，霍金还证明了小黑洞与白洞不可区分，其他科学家们还推测在难以想象的“奇异”状态下，可能发生由黑洞向白洞的转化。而我们的宇宙是否产生于一个超巨型的黑洞转化为白洞的一场大爆炸中仍有待于 探索 。

大质量的星系包括三类星体：一是质量不变的星体，这类星体不发生核聚变；二是恒星，这类星体会发生核聚变，质量会不断损失；三是黑洞，该类星体大质量恒星演化形成的，它会吸收周围物资，质量不断增加。它们在星系中是如何分布呢

在星系中，当星体的质量发生变化，它的质量变化率不等于零，受到星体绕星系质心运动的角速度变化，会导致引力与离心力不能相互抵消。当恒星质量不断损失时，恒星会受到一个向外的“力”，恒星向外加速运动；如果星系中有黑洞，当黑洞质量不断增加时，黑洞会受到一个向内的“力”，黑洞会向内加速运动。结论：一个有黑洞的星系，恒星会分布在星系的外部区域，黑洞会分布在星系的中心区域；如果我们找黑洞，只能在星系中心附近找。

有人认为宇宙本身就是一个大黑洞，也有人认为宇宙中90％以上物质已变成暗物质，大质量的恒星最终的命运会是黑洞吗星系中心存在超大质量的黑洞吗因为任何物质和光进入黑洞，就再也无法从其内逃脱出来，致使观测者无法通过实验直接观看到它。但目前理论认为黑洞周围的吸积盘上的气体，由于摩擦温度会变得极其高，从而发出大量X射线。因此，人们可以通过探测来自宇宙的X射线来探测黑洞，探测黑洞极强的引力在其周围产生的一些效应来研究黑洞，用引力透镜效应和恒星的开普勒轨道运动等来研究黑洞。

目前多数天体物理学家认为天鹅座X—1(Cy—1)就是一个恒星级黑洞，并已探明它是一对双星中的一颗，它一边吞噬其伴星物质，一边发出强烈的X射线。早在1962年，美国的科学工作者贾科尼把X射线计数器放到高空，意外发现了来自太阳和月球以外太空区域一个很强的X射线源，但当时未能确定该X射线源天体的位置。1966年贾科尼和日本学者小田等用准直器调制定位法测出天鹅座X—1，这是人类发现的首个来自宇宙的x射线源，后经一些实验观测，测定出了双星的轨道运动情况，从而推算得出天鹅座X一1的质量是太阳质量的8倍(大于3倍太阳质量)，符合恒星级黑洞形成的条件。

超新星是某些恒星演化到末期时灾变性的大爆发，超新星爆发是一颗大质量恒星的壮烈死亡。它的核心残骸将是致密天体——黑洞或中子星。近年来每年都会发现数百颗超新星，其中有代表性的是在1987年2月23日爆发的SNI987A这颗来自大麦哲伦星系的超新星，人们利用哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台、澳大利亚大天线阵和南双子座望远镜等对SN1987A进行了长期的观察和研究，目前天文学家还在继续寻找这颗死亡恒星残骸的下落。据估计这颗爆发的超新星很可能已变成恒星级黑洞或中子星。

最新黑洞理论认为，在星系中心普遍存在超大质量黑洞。1971年，天文物理学家Lynden-BellD和ReesM首次提出在银河系中心存在一个黑洞——SgrA并建议用射电干涉来寻找它，20世纪90年代以来，地面的天文观测设备和空间x射线望远镜都探测到了来自银河系中心SgrA黑洞的x射线。各国的天文物理学家通过多年研究，并根据实验观测推算出其质量为40～400万倍太阳质量，用射电望远镜观测的大量数据和理论模型越来越支持SgrA黑洞就是银河系中心的超大质量黑洞的说法，有些迹象表明它还有自旋，可能是科尔黑洞。我国的上海天文台科学工作者从1997年开始用高分辨率甚长基线干涉的新技术对SgrA展开观测，得出了相同的结论。

自2004年以来，阿根廷的PierreAuger天文台的科学家用1600个离子探测器和24台特制天文望远镜记录到高能宇宙射线，他们通过对这些宇宙射线的来源分析后认为，这种高能宇宙射线极有可能来源于星系核，星系核中心的超大质量黑洞为之提供了巨大能量。2002年，欧洲研制的用编码孔径成像技术的INTEGRAL卫星上天后，新发现了几十个被认为是超大质量的黑洞。

2010年11月，美国宇航局揭开了一则吊足媒体胃口的“秘密”——地球附近一个年仅30岁的黑洞，这也是人类科学史上发现的最年轻的黑洞。2011年8月，天文学家首次抓拍到黑洞吞噬恒星的过程，这被认为是目前宇宙最神秘、最震撼的情景。照片中的黑洞仿佛魔鬼一般，将一颗接近它的恒星瞬间撕碎变成发光等离子体后消失无形。据悉，照片中的黑洞距地球约40亿光年。2015年8月27日，NASA发布马卡良231星系的近照，马卡良231是拥有双重巨型黑洞的近地球星系，距离地球6亿光年。

为揭开黑洞的神秘面纱，2017年，一项黑洞观测计划，即“事件视界望远镜”（EHT）计划正式启动。按照EHT计划，全世界200多位科学家组成空前庞大的“战斗阵营”，利用全球多地的8个亚毫米射电望远镜及其阵列，组成一个虚拟的望远镜网络，即“事件视界望远镜”，同时对黑洞展开观测。

综上所述，现在采用寻找黑洞的办法是探测来自宇宙的X射线源和确定X射线源的质量,如有来自于致密天体的X射线,且这类致密天体的质量大于3倍太阳质量，则基本认定此类天体为黑洞。现已探明中子星的半径大约是10英里，是恒星级黑洞临界半径的几倍,一个大质量恒星坍缩到更小的尺度变成黑洞的可能性是极大的，但最终要确定黑洞的存在，还有待于黑洞理论的进一步完善和实验的更新验证。目前对于黑洞的对称物——白洞的研究还停留在理论层面，尚无实验上的论证和支持。

　黑洞可以吞噬宇宙中的一切，黑洞的大小决定了其吞噬的范围，那么世界上目前发现最大的黑洞有多大下面和我一起来看看吧。

　揭露史上最大的黑洞!

　史上最大黑洞曝光：银河系可被瞬间吞噬。黑洞可以吞噬银河系吗在我们看来是绝对不可能的，但最近天文学家发现了史上最大的黑洞质量是银河系的680万倍，足以吞噬银河系，真是不可思议了，具体的跟我一起来看下吧。

　黑洞可以吞噬银河系吗天文学家近日发现史上最大的黑洞，质量是太阳的680万倍，足矣吞噬整个银河系。它的视界是海王星的轨道的4倍，没有任何物质能逃脱，即使是光也不能。这个名为黑洞M87的黑洞体积是科学家之前预想的两倍。

　科学家是利用一种经过特别改装的望远镜在夏威夷发现这个巨大黑洞的，它的体积比预想的大一倍。它发现于M87星系，后者距离地球五千万光年远，是目前最大最远的星系。研究学者认为过去某时几百个小黑洞融合一体形成了这个巨大黑洞。

　位于奥斯汀德克萨斯大学的天文学家卡尔•格巴尔说道：“它可能吞噬我们整个太阳系。” 位于帕萨迪纳加州理工学院的天文学家乔治•乔尔戈夫斯基参与了此项研究，说道：“对此类物体未来的观测可以帮助我们了解真正的黑洞。到目前为止，还尚未有关于视界存在的直接的观测证据。视界是黑洞存在最直接最真实的证据。”

　格巴尔教授还提到，这项观测是利用位于夏威夷莫纳克亚的81米的弗雷德里克C吉列双子座望远镜，他和他的研究团队追踪到恒星围绕该黑洞的运行速度是500公里每秒，由此可以计算出黑洞的质量。在未来十年，天文学家计划将全世界的望远镜联接起来，形成一个巨大的阵列，而这将极大的提高观测和发现此类黑洞的概率。

　科学家表明这样的超级黑洞未来还会出现很多，至于黑洞是否能够吞噬银河系，科学家称黑洞存在与银河系的中心位置黑洞强大到一定程度时，吞噬银河系也是有可能的。

根据多年的观测显示，一个超大质量的黑洞正在撕裂一颗恒星并且吞噬了它的一部分。

图解：碰撞星系Arp299，由美国宇航局钱德拉在X-ray 天文台拍摄

目前，天文学家们观测到一个巨大的黑洞正在悄无声息地吞噬一颗恒星，并且将其内部喷射向空中。

这件可怕的事情是在厚厚的尘云掩盖下发生的，它是由芬兰图奥拉天文台的Seppo Mattila和西班牙阿斯特洛希察研究所的Miguel Pérez Torres领导的小组用可以穿透尘埃的红外射电望远镜捕获的。

图解：X射线双星系统中的巨星-吸积盘示意图

来自澳大利亚新南威尔士天文台的天文学家斯图尔特·赖德是这个团队的一员，他通过夏威夷的双子座北望远镜观看了这场长达十年的戏剧。

莱德说：“这是一个很酷的现象，一颗恒星在被吸入超大质量黑洞的同时也在被撕裂。”

这种相互作用被称为潮汐瓦解事件，在此之前从未被如此详细地观测到。红外望远镜和射电望远镜的结合揭示了这场斗争：最初，一股气体以接近光的速度喷射出来。

图解：正在被黑洞吞噬的天体

莱德说：“这是我们第一次通过无线电观测来证实喷流的存在-这些恒星会在斗争中坠落。”

“并不是所有的恒星都会被吞噬，像这样质量是太阳质量的2到7倍的恒星有大量气体可以吸收，有些恒星甚至会被喷射出去。”

研究小组在《科学》杂志上发表了了这股气体是如何使他们注意到这场大屠杀的。

2005年，他们在一对碰撞星系中寻找超新星，这个星系叫做Arp299，距离我们15亿光年。当时他们注意到其中一个星系的中心正变得更亮。

图解：阿普 299与IC 694 (左)和NGC 3690 (右)，图源: 哈柏太空望远镜

与超新星不同的是，在接下来的几个月里，这个点变得更加明亮，并在接下来的十年里依旧明亮，然后成长为一个25光年长的羽流。

研究小组花了六年时间才弄清楚到底发生了什么。直到2011年，喷流的体积已经足够大到让全球的射电望远镜都能分辨其结构，这件事表明了这不是一个正常的事件。

喷流可以在气体和尘埃云团落入星系中心的超大质量黑洞时形成。但是射电望远镜排除了这一点，因为神秘的气体羽流的角度是完全错误的。

图解：位于室女座的超巨椭圆星系——室女A星系（M87）核心内的超大质量黑洞，估计质量约为太阳的65亿倍。此影像是由事件视界望远镜所拍摄，是史上首帧黑洞的实际影像。

Miguel Pérez Torres，研究小组意识到他们看到了极为罕见的东西。

他解释到：“一到三个太阳质量的物质被黑洞吞没，而另一半被驱逐。”

“在非常短的时间内这是一个巨大的量，它需要很长的时间来消化。这个怪物吃了一些东西然后突然打了个嗝。”

Mattila说，这些剧烈的事件释放出大量的X光和可见光，但Arp 299中心的气体和尘埃云将其隐藏在广域光学测量望远镜前。

图解：上：艺术家描绘超大质量黑洞从邻近的星体上抽走物质。 左下：超大质量黑洞的X光映像。 右下：超大质量黑洞的光学映像。

“这可能只是冰山一角，可能会有更多的潮汐瓦解事件因为大量的气体和灰尘我们正在错过。”他指出。

潮汐瓦解事件（也称为潮汐瓦解耀斑）是一种天文现象，当恒星接近被拉动的超质量黑洞时发生。 除了黑洞的潮汐力之外，还有拉面效应。恒星质量的一部分可以被捕获到黑洞周围的吸积盘中，当星盘中物质的电磁辐射被黑洞所消耗时而产生暂时的耀斑。

参考资料

1Wikipedia百科全书

2天文学名词

3 PHIL DOOLEY- kaka- cosmosmagazine

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黑洞由于其高质量引发了时空的严重扭曲，事实上，任何一个有质量的物体都能造成时空的扭曲，这是广义相对论作出的预言，原本在二战时有一次日食即可验证，然而由于战争试验未能进行，当然，真理总是会被证明。太阳引起的时空扭曲使原本被太阳完全遮住的后面的光线也可以照向地球。

扩展资料：

“黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体”。

黑洞无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因高热而放出和γ射线的“边缘讯息”，可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹取得位置以及质量。

黑洞就是中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小，热量无限大的奇点和周围一部分空空如也的天区，这个天区范围之内不可见。依据阿尔伯特-爱因斯坦的相对论，当一颗垂死恒星崩溃，它将聚集成一点，这里将成为黑洞，吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。

黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程：某一个恒星在准备灭亡，核心在自身重力的作用下迅速地收缩，塌陷，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星体，同时也压缩了内部的空间和时间。

但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，连中子间的排斥力也无法阻挡。中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的引力，使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。

黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸，会喷射物体，发出耀眼的光芒。当英国物理学家斯蒂芬·威廉·霍金于1974年做此预言时，整个科学界为之震动。

霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃，他结合了广义相对论和量子理论，他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量。

参考资料：

——黑洞