宇宙“怪獸”

今年4月10日21時是一個具有歷史意義的時刻，一個超大質量黑洞在全球多地首次展示真容，以一張“寫真”定格了自己的真實存在。我們有幸成為第一批“看見”黑洞的人類。

黑洞是一種很奇異的天體，如同“怪獸”一般，可以吞噬臨近區域的任何物質，即使是光，也無法逃脫它的引力束縛。它怎么這么霸道？它到底黑不黑？它是如何形成的？人類是如何拍到它的？……關于黑洞的“十萬個為什么”，你們應該都很好奇吧？小編來為你們解答。

黑洞不是洞

黑洞不是洞，而是一種質量極大的天體，像個“無底洞”，具有超強引力，可吞噬周圍的氣體、塵埃，乃至臨近的恒星系和較小的黑洞，連光也無法逃脫。超強引力幫助黑洞以極其暴力的方式“跑馬圈地”，宣告自己的“勢力范圍”。

根據質量，天文學家將黑洞分為三類：恒星級質量黑洞、超大質量黑洞和中等質量黑洞。

1970年，美國“自由號”人造衛星發現天鵝座X-1上一個比太陽重30多倍的巨大藍色星球被一個看不見的物體牽引著。這個物體被學界認作是人類發現的第一個黑洞。

之后越來越多的黑洞被發現。2017年12月，美國卡耐基科學研究所的科學家發現了有史以來最遙遠的超大質量黑洞，它的質量是太陽的8億倍。

目前，人類在銀河系已經發現近20個恒星級質量黑洞，而銀河系中預計共有1000萬個黑洞。我國科學家還在堅持不懈地努力利用我國的重大科學裝置郭守敬望遠鏡去發現銀河系中更多的黑洞。

黑洞的“前世今生”

黑洞的形成與恒星塌陷有關。

黑洞最初其實是一顆衰老的巨大恒星，有資格成為黑洞的恒星質量要達到太陽的數十倍。恒星發光發熱靠的是內部的核聚變，但恒星中心的“燃料”畢竟有限，也會耗盡，當恒星內部能量不足，無法支撐外殼的重量時，在外殼重壓之下，恒星內核開始塌縮。最終，所有物質縮成一個體積無限小而密度超大的點，這便是奇點。

奇點質量極大，而體積極小，會形成強大引力場，看起來像一個黑色的“勢力范圍”，吸收周圍物質，就連光也會被吸進去，這個“勢力范圍”被稱作黑洞的半徑或事件視界。至此，黑洞已經誕生。剛誕生的“嬰兒黑洞”如饑似渴，將體積較小的恒星的氣體撕扯到自己身邊，然后吞噬掉。

黑洞存在的證據

人類在看到黑洞真容前，怎么知道黑洞是真實存在的呢？科學家們通過多個間接的證據來證明黑洞的存在，其中包括三類代表性證據。

一、恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有超強引力，對周圍的恒星、氣體會產生影響，科學家可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在，比如觀察噴流。當黑洞吸積氣體較多時，一部分氣體沿著磁場運動，高速噴射強能量物質，這就是噴流。

二、黑洞在吸積物質時會發出一定的光，科學家據此來判斷黑洞的存在。在黑洞強引力的作用下，周圍的氣體會向黑洞下落，在距離黑洞幾百事件視界至幾萬倍事件視界的地方形成發光的環狀圓盤——吸積盤。如果某種天體相對于普通星系來說小得多，但每秒鐘能釋放出巨大的能量，而且發光，那科學家推斷它很可能是黑洞。

三、通過一定的設備“看到”黑洞成長的過程，從而推導黑洞的存在。激光干涉引力波天文臺探測的引力波都對應了恒星級質量黑洞的并合事件，見證了更小的黑洞借助并合成長為更大黑洞的過程。這類引力波的發現，是我們推斷黑洞存在的證據之一。

1978年，盧米涅給出了黑洞事件視界的第一幅圖像。這不是一張真正的照片，而是他利用數學知識和相關技術以及20世紀60年代的一臺IBM 7040穿孔卡片計算機對黑洞景象進行的電腦模擬。

利用電腦模擬產生的數據，盧米涅用鋼筆和印度墨水在底片上描繪黑洞，整個過程就像在打印。這幅模糊的圖像展示了觀察者靠得足夠近時看到的一個扁平盤內物質墜入黑洞的景象。

這些證據都是間接的，而證實黑洞存在最有說服力的莫過于直接視覺證據，那就是黑洞的第一張照片。

人類拍下的這張照片主角是位于室女座一個超大質量星系M87中心的黑洞，它距離地球5500萬光年。照片中，黑色圓影的中央“隱藏”著黑洞的真身，圓影外側新月形的光環是黑洞周圍氣體發出的光。所以，準確地說，首張黑洞“寫真”是黑洞的輪廓。

拍黑洞非易事

黑洞不發光，人類想要拍到它并不是一件易事。給黑洞拍照，科學家們遇到了黑洞陰影“小”、觀測波段技術要求極高、數據處理復雜三座難以逾越的“大山”。面對這些難點，他們發揮超強智慧，想到了不少應對的妙招。

首先，為了解決黑洞陰影“小”的問題，科學家們需要在眾多黑洞中找到最適合拍照的那一個，同時還要提高望遠鏡的實力——口徑超乎想象、靈敏度足夠高。

從地球上看，黑洞陰影和周圍環繞的新月般光環是非常小的，在拍照設備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞照片，科學家必須找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為拍攝對象。

黑洞事件視界的大小與其質量成正比，黑洞質量越大，其事件視界越大，結合距離因素，鄰近地球的超大質量黑洞是黑洞成像候選體。位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*和星系M87中心的黑洞便是兩個好“模特”。

自伽利略發明望遠鏡以來，科技水平的飛速發展使得望遠鏡的口徑越來越大、“分工”越來越細，但要給黑洞拍照，依靠現有任何單個天文望遠鏡遠遠不夠。于是，科學家將分布全球的8個射電望遠鏡組成一個虛擬望遠鏡陣列，這相當于一臺口徑為地球直徑的超級望遠鏡。

由于靈敏度要求高，拍攝對天氣條件要求也苛刻，8個射電望遠鏡分布在降雨量極少、晴天概率大的高海拔地區，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點等。這些望遠鏡的分辨率相當于能在黑龍江漠河閱讀南沙群島上的一張報紙。

其次，黑洞周圍氣體在1毫米附近的輻射強度最大，而且最關鍵的是，在黑洞附近1毫米有個比較干凈的觀測窗口，被同步自吸收的作用會大大減弱，黑洞周圍氣體的輻射也會變得透明，所以還要實現高技術觀測波段。為了保證射電望遠鏡的天線在觀測波段內正常觀測，科學家們突破了天線技術上的一個門檻，大大提高了加工精度。

此外，“洗”照片也不易。人們需要對射電望遠鏡記錄的海量數據進行復雜的后期處理和分析，才能獲得最終的黑洞圖像。即使現在人類的運算能力非常強大，也還是需要近兩年時間才能把黑洞的照片“沖洗”出來。

雖然黑洞的第一張照片沒有人們想象的那么清晰，但這是人類拍攝黑洞走出的第一步。今后，人類將拍出細節更豐富、角度更多樣的黑洞照片，走進黑洞的世界，開展系統的“黑洞普查”，揭開黑洞更多的秘密。

有些黑洞很“挑食”

一些黑洞是貪婪的吸食者，吸入大量氣體和灰塵等，而一些黑洞則很“挑食”。

位于銀河系中央的人馬座A*似乎就很挑食，盡管其質量是太陽質量的400萬倍，但它的吸積盤卻出人意料地暗淡，由氣體、彌散物質等組成，遠遠看去就像一個扁平的盤子。

M87星系中的黑洞則是一個貪婪的“食客”，其質量約為太陽質量的65億倍。它不僅擁有非常明亮的吸積盤，還噴射出明亮、快速的帶電亞原子粒子流，這一粒子流延伸約5000光年。

同樣是超大質量黑洞，為什么“貪吃”的程度差別如此巨大？

科學家說原因是不同星系核心的環境不一樣。有的星系中心由于受到諸如星系碰撞過程等的擾動，氣體沉積到中心黑洞附近，為黑洞提供了豐富的食物，所以黑洞可以大快朵頤;而有的星系中心區域比較平穩，只有少量氣體能夠到達黑洞附近，使得黑洞不得不淺斟慢酌。

吃多了也會“吐”

告訴你哦，黑洞吃多了也會“吐”。

2017年，科學家發現在離地球2000多萬光年的地方，一個星系中央的超大質量黑洞 “消化不良”，打著“飽嗝”向星際空間噴出了一大堆物質。這個星系為NGC 5195，它有一個同伴NGC 5194，兩者由引力束縛在一起。它們附近有兩個X射線弧，據稱這是NGC 5195星系中央的黑洞“打嗝”形成的。

由英國曼徹斯特大學科學家領導的一個小組根據英國e-MERLIN射電望遠鏡陣列拍到的高清圖像，結合美國的哈勃望遠鏡、錢德拉X射線天文臺和甚大陣列射電望遠鏡等的觀測結果，研究了黑洞“打嗝”噴發物質的細節。

包括銀河系在內，幾乎所有星系中央都有一個超大質量的黑洞，吸引吞噬周邊物質。NGC 5195中央的黑洞質量相當于太陽質量的1900萬倍，這一星系跌入渦狀星系懷抱，與后者的外旋臂融合，導致大量物質向NGC 5195的中央黑洞跌落。

這些物質高速旋轉落入黑洞，在黑洞周圍形成吸積盤。填鴨式的“喂食”使吸積盤大到一定程度，這時黑洞無法繼續有效吞噬物質，導致“消化不良”，吸積盤破裂。此時，強烈沖擊波產生，將物質推向星際空間，其中電子以接近光速傳播，與星際空間的氣體和塵埃相互作用，發出射電波。沖擊波隨即像吹泡泡一樣使氣體和塵埃加熱膨脹，發出X射線，并從氫氣上剝離電子形成離子氫，產生X射線弧。

黑洞只可遠觀

盡管人們對黑洞的熱情高漲，但其只可遠觀，否則后果很嚴重。簡單來說，如果你和黑洞靠得太近，你就會就像意大利面一樣被拉長，這一現象有個極富創意的名稱——“意大利面條效應”。之所以會產生這種效應，是因為人體各處受到的引力不一樣。

如果你兩腳朝下飛向黑洞，由于你的腳離黑洞更近，它受到的引力比頭部受到的引力要大。糟糕的是，由于胳膊不是位于身體中心，它們被拉長的方向與頭部的朝向稍有不同，你身體的邊緣部位會向內聚集，最后的結果是，你的身體不僅被拉長了，還變細了。因此，還沒等你抵達黑洞中心，你就早早地變成了一根“意大利面條”。

有關黑洞的傳言

有人說黑洞是黑色的，有人說黑洞會吞噬地球，有人說黑洞很大很大。這些說法是對的嗎？

傳言一：黑洞大到沒邊。

事實：黑洞只是很重，但體積小。

在多數人的想象中，黑洞之大超出了人類對于大尺寸數量級的直觀認知，但其實，黑洞只是質量和密度超乎想象地大，而體積比較小。比如，這次人類拍到的黑洞——超大質量星系M87中心黑洞質量約為太陽質量的65億倍，屬于超大質量黑洞，但體積比較小，小到內部幾乎沒有空隙。如果太陽被壓縮到一個半徑非常小的空間內，那可以改名叫“黑洞”了。

傳言二：黑洞很黑。

事實：外面黑，里面也許不黑。

斯蒂芬·霍金曾推斷黑洞并沒有想象的那么黑。

從這次拍攝的黑洞照片上看，黑洞的勢力范圍內的確漆黑一片，但是勢力范圍中心那個質量超大、體積超小的天體到底什么顏色，照片上看不清楚。

傳言三：黑洞會吞噬地球。

事實：地球不會被黑洞吞噬。

黑洞只會對它附近的一些天體產生非常強的破壞作用，地球距離它非常遙遠，所以不會被吞噬。

我們目前發現的銀河系中的黑洞其實都距離地球非常遙遠，距離地球最近的一個黑洞大約在地球3400光年外。

傳言四：黑洞與黑洞會發生碰撞。

事實：黑洞會與黑洞碰撞。

黑洞與黑洞的確會發生碰撞，這是一個非常壯觀的現象。2015年，科學家就利用引力波探測器發現13億光年外的兩個黑洞碰撞時所產生的引力波。黑洞合并不會產生非常壯觀的電磁波現象，但是會釋放大量的能量擾動時空，產生引力波效應。