黑洞：宇宙中的神秘“大胃王”

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江蘇省南京市鼓樓實驗小學科學教師、科技輔導員，輔導學生在各級科創大賽中多次獲獎，所撰寫的文章多次榮獲省、市、區一等獎。

地球是什么形狀的呢？月亮表面的環形山是如何形成的呢？太陽的表面溫度有多高呢？在蘇教版四年級科學下冊第二單元《地球、月球與太陽》中，同學們一定能找到這些問題的答案。而人類在認識宇宙的過程中卻沒有參考資料，這是一個漫長又曲折的過程，需要長期不斷地觀察、推算......

浩瀚的宇宙中有許多天體，仰望蒼穹的人類從未停止對它們的探尋和思索。1915年，愛因斯坦提出了用于描述引力的理論——廣義相對論。其中最重要的是引力場方程，通過這個方程，可以推導出很多未知的現象和天體。1916年，德國物理學家史瓦西從這個方程中得到了廣義相對論的第一個精確解——史瓦西解，并由此推斷宇宙中可能存在一種可以把光也束縛住的絕對黑暗天體，這就是后來所說的黑洞。

黑洞是個什么洞？

黑洞并不是洞，而是宇宙空間內存在的一種特殊天體。它是時空中的無底深淵，是深藏不露的引力陷阱，是宇宙中神秘的“大胃王”，周圍有什么吃什么，連光都難以幸免。黑洞如此神秘，它到底是如何形成的呢？

其實，黑洞的誕生意味著一顆恒星的終結。當恒星存在時，不斷向外釋放光和熱。但當恒星的燃料用完后，它們會爆炸。因為恒星自身的質量很大，在引力作用下，它們的物質體積開始無限縮小，像一個“核”。如果把地球壓縮成黑洞的話，史瓦西半徑僅為8.85毫米，也就是一個普通湯圓的大小。如果這個“核”的質量夠大，最終就有可能形成傳說中的黑洞——質量超大，“脾氣”超差。

那么，質量超大的黑洞會怎么樣呢？愛因斯坦的廣義相對論曾說過，質量會扭曲時空，產生引力。簡單來說，地球之所以繞著太陽轉，是因為太陽太胖、太沉了，把時空壓出了個坑，地球順著坑滾過去了。所以，黑洞這個質量超大的天體會產生超強引力，能把周圍的物質源源不斷地吸引過去，甚至連光線都無法逃脫，是名副其實的“大胃王”。

2020年，諾貝爾物理學獎的半授予羅杰·彭羅斯，他是霍金多年的合作者。羅杰·彭羅斯運用巧妙的數學方法，證明了黑洞確實可以形成，他還對黑洞進行了詳盡的描述。

太陽是恒星，它也會成為黑洞？

黑洞按其質量大小可分為3類：超大質量黑洞、恒星黑洞、微型黑洞。超大質量黑洞的質量巨大，是太陽質量的幾百萬倍甚至幾百億倍。天文觀測資料顯示，許多星系的中心都是一個巨大的超大質量黑洞。2020年，諾貝爾物理學獎的另外兩名獲獎者——賴因哈德·根策爾與安德烈亞·蓋茲，各自領導著一個研究小組，經過長期觀察和研究，發現了一個不可見且極其重的物體控制著銀河系中心恒星的運行軌道——超大質量黑洞。這個超大質量黑洞在銀河系的中心，被稱為“人馬座A*”的位置，大約有400萬個太陽那么大，而且能夠擾亂恒星。他們的發現提供了迄今為止最令人信服的黑洞證據。

微型黑洞則恰恰相反，質量很小，小到可以和微觀世界的基本粒子相比較，也被稱為迷你黑洞。恒星黑洞，顧名思義，其質量大小與恒星的質量大小相當。

太陽是一顆恒星，給地球帶來了光和熱，維持著地球上的生命。我們賴以生存的太陽會不會成為黑洞呢？聽起來真有點可怕！

星星也和人一樣，有“生老病死”。不過，星星的壽命要比人類的壽命長得多，是以“億年”為單位來計算。真是人生易老、天難老啊！太陽這顆恒星在大約46億年前誕生，壽命大約有100億年。到目前為止，太陽的生命剛走了一半，“正值中年”，所以暫可不必擔心。

恒星的演化過程因為質量的不同而產生了分岔。質量大于8倍太陽質量的恒星，還將會經歷一個超新星爆發的階段，最后變成中子星或黑洞;而質量小于8倍太陽質量的恒星，其歸宿便和太陽一樣，成不了黑洞，最后成為白矮星。

黑洞的真面目究竟什么樣？

2019年4月10日21時，人類終于一睹黑洞的真容！全球數百名科研人員參與合作的“事件視界望遠鏡”項目發布了他們拍到的第一張黑洞照片。

這個黑洞的位置在超巨橢圓星系M87的中心，距地球約5500萬光年。天文學家動用了全球8個毫米/亞毫米波射電望遠鏡，進行聯合觀測。這張黑洞照片也是通過數據和科學家后期的海量運算得出的。因此，從2017年4月開始拍攝，花費將近兩年時間才與大家見面。

觀測黑洞的望遠鏡叫作“事件視界望遠鏡”（EventHorizon Telescope，簡稱EHT），因此該團隊也叫作EHT團隊。在這200多人的科學家團隊中，有十余位中國科學家。

還有同學會問：黑洞不是全黑的嗎？周圍的光圈是什么呢？黑洞在照片中光圈的中心位置，是全黑的存在。要不是這光圈，我們也看不到黑洞。黑洞會將周圍的任何東西都源源不斷地吸進去，包括光線、無線電波，等等。所以，連光線都能吸走的黑洞，實際上是看不見的。

還有一些東西快速地在黑洞周圍轉啊轉，就像在一個極速旋轉的龍卷風里一樣，轉速太快。這些東西相互摩擦后，產生了大量的光和熱，形成了光亮的外圈，我們將其稱為吸積盤。這次能拍到黑洞的照片，就有吸積盤的一份功勞呢！

了解了黑洞的小知識，我們才更能感受到黑洞的魅力。雖然這張黑洞照片如此模糊，可對于人類探索宇宙有著重要意義。但這些成果僅僅是人類揭開黑洞面紗的第一步，正如愛因斯坦所說：“科學是永無止境的，它是一個永恒之謎。”2020年諾貝爾物理學獎獲獎者為人類研究天體物理，開辟了新的領域。隨著科學的進步，在不久的將來，我們一定會得到黑洞的高清圖，讓我們拭目以待吧！