文章发表于2025-06-24 10:29:30，归属【科技前沿】分类，已有23人阅读
黑洞是宇宙中最奇特且迷人的天体之一。它们密度极高，引力强到一旦越过被称为 “事件视界” 的边界，任何物体甚至光都无法逃脱。
据美国国家航空航天局（NASA）称，银河系可能包含超过 1 亿个黑洞，尽管探测这些天体极为困难。
银河系的中心存在一个超大质量黑洞 —— 人马座 A*。这个巨大的结构质量约为太阳的 400 万倍，距离地球约 2.6 万光年。
2019 年，事件视界望远镜（EHT）合作组织捕获了首张黑洞图像。这张拍摄于 5500 万光年外 M87 星系中心黑洞的震撼照片，让全世界的科学家为之振奋。
黑洞如何形成？
黑洞预计通过两种不同路径形成。第一种路径认为，它们是恒星的残骸，当大质量恒星死亡时形成。诞生质量约为太阳 8 到 10 倍以上的恒星，在耗尽所有燃料（氢）后会爆炸并死亡，留下一个极其紧凑的致密天体 —— 黑洞。由此形成的黑洞被称为 “恒星级黑洞”，其质量约为太阳的数倍。
并非所有恒星都会留下黑洞，诞生质量较低的恒星会形成中子星或白矮星。另一种形成方式是气体的直接坍缩，这一过程预计会产生质量更大的黑洞，范围从太阳质量的 1000 倍到甚至 10 万倍不等。这种形成路径绕开了传统恒星的形成过程，被认为在早期宇宙中起作用，并产生质量更大的黑洞 “种子”。
谁发现了黑洞？
黑洞被预测为爱因斯坦方程的精确数学解。爱因斯坦的方程描述了物质周围空间的形状，广义相对论将空间的几何形状与物质的详细分布联系起来。
1915 年，卡尔・史瓦西（Karl Schwarzschild）发现了黑洞解决方案，这些区域被证实会极度扭曲空间，并在时空结构中产生 “穿刺”。当时尚不清楚这些是否对应宇宙中的真实天体。随着时间推移，当其他恒星死亡的产物（如作为脉冲星被观测到的中子星）被探测到后，人们才明确黑洞真实存在。首个被探测到的黑洞是天鹅座 X-1。
黑洞会消亡吗？
严格来说，黑洞不会 “死亡”，但理论预测它们最终会在极长的时间尺度上缓慢 “蒸发”。
黑洞通过吸收附近物质而增长。霍金预言黑洞也可能辐射能量并缓慢收缩。量子理论表明，虚粒子始终在不断地产生和湮灭 —— 当粒子与反粒子对出现时，它们也可能重新结合并消失。当这一过程发生在黑洞事件视界附近时，奇怪的现象会出现：粒子对不再短暂存在后湮灭，其中一个可能被引力捕获并落入黑洞，另一个则飞向太空。理论表明，在远超宇宙年龄的时间尺度上，这种逃逸粒子会导致黑洞逐渐蒸发。
黑洞是虫洞吗？
不，黑洞不是虫洞。虫洞可被视为连接时空两个不同点的 “隧道”。据信，黑洞内部可能包含一个虫洞 —— 即时空的穿刺口，它可能成为通往时空中另一点的通道，甚至可能连接到另一个宇宙。
阿尔伯特・爱因斯坦在 1916 年通过广义相对论首次预言了黑洞的存在，而 “黑洞” 这一术语直到 1967 年才由美国天文学家约翰・惠勒（John Wheeler）提出。在此之前的数十年里，黑洞仅被视为理论天体。
首个被发现的黑洞是天鹅座 X-1，位于银河系天鹅座内。1964 年，一枚探空火箭探测到 X 射线的天体来源，天文学家首次观测到黑洞的迹象。1971 年，天文学家确定这些 X 射线来自一颗明亮的蓝星围绕一个奇特暗天体的轨道运动。研究认为，探测到的 X 射线是恒星物质被从蓝星剥离并被暗天体 “吞噬” 的结果 —— 这个暗天体就是一个吞噬一切的黑洞。
根据空间望远镜科学研究所（STScI）的数据，大约每千颗恒星中就有一颗质量大到足以形成黑洞。由于银河系包含超过 1000 亿颗恒星，我们的星系必然蕴藏着约 1 亿个黑洞。尽管探测黑洞极为困难，NASA 的估算显示，银河系中可能存在 1000 万到 10 亿个恒星级黑洞。
距离地球最近的黑洞被称为 Gaia-BH1，它距离我们仅 1560 光年。2019 年，事件视界望远镜（EHT）合作组织发布了有史以来首张黑洞图像。当望远镜观测事件视界（即任何物体都无法逃脱的区域）时，捕捉到了 M87 星系中心的黑洞。这张图像描绘了光子（光粒子）的突然消失，也为黑洞研究开辟了全新领域 —— 如今天文学家已知黑洞的外观。
2021 年，天文学家公布了 M87 中心巨大黑洞的新视图，展示了该天体在偏振光下的样子。由于偏振光的波向和亮度与非偏振光不同，新图像呈现了黑洞更细致的特征。
2022 年 5 月，科学家公布了历史性的首张银河系中心超大质量黑洞 —— 人马座 A * 的图像。
黑洞是由什么组成的？
黑洞有三个 “层”：外事件视界、内事件视界和奇点。
黑洞的事件视界是围绕其 “入口” 的边界，一旦越过这一边界，光便无法逃脱。粒子一旦穿过事件视界，就再也无法离开。事件视界上的引力是恒定的。
黑洞的内部区域被称为奇点，即物体质量所在的位置 —— 这是时空中一个单一的点，黑洞的质量集中于此。
科学家无法像观测恒星和太空中其他天体那样直接看到黑洞。相反，天文学家必须依靠探测黑洞在尘埃和气体被吸入这个致密天体时发出的辐射。但位于星系中心的超大质量黑洞可能会被周围厚厚的尘埃和气体所笼罩，这些尘埃和气体能够阻挡那些能说明问题的辐射。
有时，当物质被拉向黑洞时，它会从事件视界反弹并被向外抛射，而不是被拖入黑洞中。这时会产生以接近相对论速度运动的明亮物质喷流。尽管黑洞本身不可见，但这些强大的喷流可以从很远的距离被观测到。
EHT（事件视界望远镜）拍摄 M87 星系中黑洞的图像（2019 年发布）是一项非凡的工作，即使在拍摄图像之后，也需要两年的研究时间。这是因为遍布全球多个天文台的望远镜合作产生了惊人的数据量，这些数据太大，无法通过互联网传输。
随着时间的推移，研究人员期望拍摄其他黑洞的图像，并建立这些天体外观的数据库。下一个目标可能是人马座 A*，它是我们自己银河系中心的黑洞。2019 年的一项研究报告称，人马座 A之所以引人入胜，是因为它比预期的更 “安静”，这可能是由于磁场抑制了它的活动。同年的另一项研究表明，人马座 A周围有一个冷气团，这为了解黑洞周围的环境提供了前所未有的见解。
到目前为止，天文学家已经确定了三种类型的黑洞：恒星级黑洞、超大质量黑洞和中等质量黑洞。
黑洞的类型
1. 恒星级黑洞 。当一颗恒星燃尽最后一点燃料时，这颗恒星可能会坍缩。对于较小的恒星（质量不超过太阳的三倍左右），新的核心将变成中子星或白矮星。但当较大的恒星坍缩时，它会继续压缩，形成恒星级黑洞。
由单个恒星坍缩形成的黑洞相对较小，但密度极高。其中一个这样的天体能将超过三倍太阳质量的物质压缩到一个城市的直径范围内。这导致其对周围物体产生巨大的引力。然后，恒星级黑洞会消耗其周围星系的尘埃和气体，这使得它们的体积不断增大。
2. 超大质量黑洞。宇宙中遍布着小黑洞，但它们的 “表亲”—— 超大质量黑洞则占据着主导地位。这些巨大的黑洞质量是太阳的数百万甚至数十亿倍，但直径却差不多。这类黑洞被认为几乎存在于每个星系的中心，包括银河系。
科学家不确定如此巨大的黑洞是如何形成的。一旦这些黑洞形成，它们就会从周围的尘埃和气体中聚集质量，而星系中心有大量的这种物质，这使得它们能增长到更大的尺寸。
超大质量黑洞可能是数百或数千个微小黑洞合并的结果。巨大的气体云也可能是原因之一，它们坍缩在一起并迅速吸积质量。第三个可能性是恒星团的坍缩，即一群恒星一起坠落。第四种可能是超大质量黑洞由大型暗物质团形成。暗物质是一种我们可以通过其对其他物体的引力效应来观测的物质；然而，我们不知道暗物质是由什么组成的，因为它不发光，无法被直接观测到。
3. 中等质量黑洞。科学家曾经认为黑洞只有大小两种尺寸，但研究表明可能存在中等大小的黑洞（IMBH）。当星团中的恒星在连锁反应中碰撞时，可能会形成这样的天体。在同一区域形成的几个这类中等质量黑洞最终可能会在星系中心汇聚，形成一个超大质量黑洞。
2014 年，天文学家在一个螺旋星系中发现了看似中等质量黑洞的天体。2021 年，天文学家利用一次古老的伽马射线暴探测到了一个中等质量黑洞。
2018 年的研究表明，这些中等质量黑洞可能存在于矮星系（或非常小的星系）的中心。对 10 个这样的星系（其中 5 个在最新的调查之前不为科学界所知）的观测揭示了 X 射线活动 —— 这在黑洞中很常见 —— 表明存在质量在 36,000 到 316,000 个太阳质量之间的黑洞。
双黑洞：双重麻烦
2015 年，天文学家利用激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到了来自合并恒星级黑洞的引力波。
“我们进一步证实了存在质量大于 20 个太阳质量的恒星级黑洞 —— 这些是在 LIGO 探测到它们之前我们不知道存在的天体，”LIGO 科学合作组织（LSC）的发言人戴维・休梅克在一份声明中说。LIGO 的观测还提供了关于黑洞旋转方向的见解。当两个黑洞相互环绕时，它们可以朝相同方向或相反方向旋转。
关于双黑洞如何形成有两种理论。第一种理论认为，双黑洞中的两个黑洞大约在同一时间形成，来自两颗一起诞生、同时爆炸死亡的恒星。伴星的自旋方向本来就会彼此相同，所以留下的两个黑洞的自旋方向也会相同。
根据第二种模型，恒星团中的黑洞会下沉到星团中心并配对。根据 LIGO 科学合作组织的说法，这些伴星的自旋方向相对于彼此是随机的。LIGO 对自旋方向不同的伴星黑洞的观测为这一形成理论提供了更有力的证据。
“我们开始收集双黑洞系统的真实统计数据，”LIGO 科学家、加州理工学院的 Keita Kawabe 说，他在 LIGO 汉福德天文台工作，“这很有趣，因为即使现在，一些双黑洞形成模型也比其他模型更受青睐，未来我们可以进一步缩小范围。”