黑洞發現之路

編譯 邵峰

物理學家霍金認為，黑洞“比任何科幻作家幻想出來的東西還奇怪”。黑洞之所以如此奇怪，是因為黑洞內部有一個密度無窮大、體積無窮小的奇點，能讓空間和時間徹底崩潰，從而產生人類無法理解的后果。

1783 年，英國科學家米歇爾提出，根據牛頓萬有引力定律，宇宙中可能存在連光都能被永遠束縛住的大質量天體。由于這種天體無法向外釋放光線，米歇爾將其稱為“暗星”。但米歇爾的“暗星”理論還是建立在萬有引力定律之上的。在該理論框架下，物質并不和時空發生關系，因此“暗星”和“黑洞”從根本上依然是兩個不同的事物。

真正為黑洞奠定理論框架的是愛因斯坦于1915 年提出的廣義相對論。由此，人類對宇宙的認識進入了一個新時代……

牛頓發現，蘋果落地和天體運轉都是引力作用的結果

破解物質和時空關系

在廣義相對論中，物質（能量）和時空是相互影響的，物質（能量）讓時空產生不同程度的彎曲，這就是引力的本質。但愛因斯坦在計算時空曲率時遇到了麻煩，他用了10 個方程才計算出時空在不同質量/能量下的近似彎曲程度（他認為不可能得到精確解）。但實際上，在物理學領域，計算物理量的公式越簡潔，才被認為越接近真理。

廣義相對論的提出適逢德國和奧匈帝國在歐洲東線戰場上對戰俄羅斯帝國。和不少歐洲科學家一樣，41 歲的德國科學家史瓦西也應征上了前線。他在家鄉是公認的天才，16 歲時就發表了兩篇關于雙星軌道的論文。在東線戰場上，他被編入了炮兵連，負責為士兵計算火炮彈道的相關數據。

廣義相對論發表后，幾天之內文本就傳遍世界，史瓦西也收到了相關材料。他一看到這個大膽又優雅的新理論，立刻被它迷住。在接下來的日子里，他利用工作間隙，開始投入到對這10 個方程的計算中。廢寢忘食的計算工作，讓他忘記了盤旋在東線戰場上空的恐懼。

廣義相對論告訴我們，空間是可以被物質（或能量）彎曲的

計算出黑洞的男人

如果地球坍縮成黑洞，其直徑將只有9 毫米

史瓦西被稱為“計算出黑洞存在的男人”

很快，史瓦西就發現愛因斯坦的方程組過于繁復，而且愛因斯坦的思路也是起源于19 世紀的陳舊套路。而史瓦西非常熟悉計算彎曲空間的黎曼幾何，這是一種新的幾何思維。在簡化了一系列基本前提后，史瓦西利用黎曼幾何將愛因斯坦的10 個方程組簡化為了一個方程，并奇跡般地算出了這個方程的唯一精確解。

1915 年12 月22 日，史瓦西將計算過程寫成論文，寄給了愛因斯坦。愛因斯坦不久后給史瓦西回信說：“我沒想到居然有人能以如此簡潔的方法算出這個問題的解。我非常喜歡你的方法。”

史瓦西并未滿足，因為他只計算出了球形天體外部的時空彎曲，那么內部呢？在套用自己創立的方程后，他有了難以置信的發現：如果天體被自身引力壓縮到一定的半徑內，嚴重扭曲的時空就將成為一個無底洞，任何進入這個無底洞的物質，哪怕是光，也休想從中逃走。

史瓦西無論如何不敢相信宇宙中會有這種怪物天體存在。按照他的計算，地球如果被壓縮到只有9 毫米直徑，就會成為這樣的怪物（這只是理論值，其實只有質量至少為20 倍太陽質量的天體才有可能發生這種變化）。史瓦西將他對這個怪物天體的計算結果寄給了愛因斯坦。1916 年2 月13 日，愛因斯坦向普魯士科學院提交了這份計算結果。不幸的是，史瓦西因病于1916 年5 月11 日與世長辭。

天空中的神秘X 射線源

1963 年，一名美國物理學家將史瓦西計算出的怪物天體命名為黑洞。但當時的科學家都覺得黑洞只存在于理論中，就連愛因斯坦本人也不愿意承認黑洞的存在。

1964 年的一天，在美國新墨西哥州的一個導彈基地，一枚火箭騰空而起，上升到高層大氣。它在升空時不斷旋轉，其搭載的放射性探測器掃描整個天空，并記錄到了除太陽外的多個X 射線源，其中信號最強烈的一個位于天鵝座方向。這個神秘的強X 射線源被命名為天鵝座X-1。一些科學家猜測天鵝座X-1 很可能就是一個黑洞，但也有科學家不這么認為。

格林尼治天文臺

天鵝座X-1 不斷吸積藍色恒星的物質

在1964 年之前，科學家對黑洞的認識還很粗淺，認為它就是一個讓物質有進無出的洞。1964 年到1973 年，科學家經過大量計算，得出黑洞不但會旋轉，還會引起周圍的時空波瀾。

1971 年，英國科學家穆丁來到大名鼎鼎的英國格林尼治天文臺工作。該天文臺位于一座建于15 世紀的城堡的八角屋中。同年秋天，穆丁和另一名天文學家韋伯斯特發現，在天鵝座X-1 區域內，一顆藍色恒星正圍繞著虛空運行，在其軌道中央似乎存在一顆不會發光的大質量天體。藍色恒星是恒星家族中的“大塊頭”，它們所圍繞天體的質量肯定也很大，但為何這個神秘天體不發光？

根據藍色恒星的預測質量和其5、6 天圍繞神秘天體運行一周的速度，穆丁和韋伯斯特計算出了那個神秘天體的質量：可能為4 倍太陽質量，甚至可能是6 倍。當時人類發現的致密天體只有白矮星和中子星，但理論上這兩類天體的質量都不會大于太陽質量的兩倍。那么，藍色恒星圍繞的是什么天體？穆丁和韋伯斯特推測它就是黑洞。

他們認為，藍色恒星和黑洞形成雙星系統，黑洞不斷從藍色恒星上剝離物質，這些物質在落入黑洞的過程中因摩擦而被加熱到極高溫度，從而釋放X 射線。他們將這一理論寫成一篇論文，打算投給《自然》期刊。但他們的上級、皇家天文臺臺長理查德根本不相信黑洞存在，還擔心這樣的文章會招來恥笑。不過，在其他資深天文學家的調解下，理查德最終同意發表此文。

這篇論文發表于1972 年1 月的《自然》雜志上，穆丁因此名聲大噪，獲得了格林尼治天文臺終生職位。此后，人類又接連發現疑似黑洞。人類終于打破了對黑洞只存在于理論中的認識。后來，經過蓋亞衛星和甚長基線干涉陣列的多次測量，科學家測得天鵝座X-1 黑洞距離地球7000 多光年，質量約為太陽的20 倍。

大黑洞和小黑洞

在人類發現的所有黑洞中，有一類黑洞可謂“另類”。一位美國天文學家發現了被稱為“類星體”的奇異天體。類星體其實是新生星系的核心，雖然體積沒有太陽系大，釋放的能量卻高達銀河系總能量的數千倍。科學家普遍認為，類星體的本質是活躍的星系核，其內部是一個質量高達數百萬倍乃至數百億倍太陽質量的超大質量黑洞。

按照質量大小，黑洞可分為三類：

大質量恒星在自身引力作用下坍縮而成的黑洞。

更大質量的恒星形成的黑洞。

位于所有已知星系中央的巨型黑洞，其質量遠超前兩類黑洞。

恒星黑洞和中等質量黑洞都可以由恒星演化而來，但超大質量黑洞的形成過程至今都是個謎，因為宇宙中不存在質量大到能一次性形成超大質量黑洞的恒星。對此，科學家提出了兩種可能性：星系塵埃不斷吸引、聚集并形成超大質量黑洞；恒星黑洞或中等質量黑洞不斷融合，形成超大質量黑洞。

進入20 世紀90 年代，哈勃太空望遠鏡的升空讓天文學家知道，幾乎每個星系的中央都潛伏著一個超大質量黑洞，我們所在的銀河系也不例外。銀河系中心的超大質量黑洞被命名為“人馬座A＊”，其中“人馬座”代表銀心黑洞所在位置，“＊”代表“星”。人馬座A＊在超大質量黑洞家族中只能算小個頭，質量“只有”太陽質量的430 萬倍。

雖然天文學家確信人馬座A＊就是黑洞，但在2015 年前，一些科學家依然將它稱為“某個非常致密的天體”。直到2015年引力探測器首次探測到了兩個黑洞合并所產生的引力波時，黑洞的存在才成為鐵一般的事實。

第一張黑洞照片

M87 黑洞

要研究黑洞，天文學家面臨兩個問題：銀河系中確實存在不少恒星黑洞和中等質量黑洞，但它們不僅小，而且是黑的（至少從地球看去和太空的黑色背景沒有區別）；超大質量黑洞雖然大且明亮（這種黑洞的外圍是非常明亮的），但位于其他星系，距離我們過于遙遠，難以觀測。選來選去，有觀測條件的黑洞就只剩下距離銀河系較近的M87 星系中央黑洞（簡稱M87 黑洞），以及人馬座A＊(簡稱銀心黑洞)。

2012 年，世界各國的天文學家云集于美國亞利桑那州，提出了一個大膽的觀測黑洞方案：利用位于南極洲、智利、墨西哥、美國和西班牙的8 座高素質射電望遠鏡組成一個口徑尺寸相當于地球直徑的虛擬望遠鏡，即“事件視界望遠鏡”。將這些望遠鏡收集的數據匯總到美國海斯塔克天文臺進行處理，就能得到極遠距離外黑洞的圖像。

2019 年4 月10 日，事件視界望遠鏡項目組公布了第一張黑洞圖像，但它并不是銀心黑洞，而是比銀心黑洞重1000倍、大1000 倍的M87 黑洞。這張圖像的觀測時間是在2017 年4 月。科學家對海量數據進行了為期2 年的處理，才得到了最后的圖像。

M87 黑洞距離地球5500 萬光年，質量是太陽質量的64 億倍，是已知質量最大的黑洞之一，其中心呈黑色，周圍有新月狀光環環繞。要觀測到這個黑洞，難度相當于在地球上用望遠鏡看清月球表面的一只足球。

銀心黑洞成像難度更高

2022 年5 月12 日，事件視界望遠鏡項目組公布了第一張銀心黑洞的照片。這個黑洞距離我們2.6 萬光年，其中心黑暗區域是包括事件視界在內的黑洞，發亮的部分位于事件視界之外，它們被黑洞的引力加速到極大的速度，溫度最高可達100 億℃。

對銀心黑洞和M87 中央黑洞的觀測都在2017 年就完成了，只不過前者的成像難度遠高于后者，因此前者圖像的發布比M87 黑洞圖像晚了3 年。之所以選擇不先處理銀心黑洞，是因為地球和銀心黑洞之間有大量的環繞物質會干擾觀測，同時銀心黑洞附近區域是恒星的密集區，大量恒星的光芒也會干擾觀測。

在M87 黑洞中央，黑洞吸積盤上的大量發光氣體需要數周才能繞黑洞運行一周，但銀心黑洞比M87 黑洞小得多，氣體幾分鐘就環繞黑洞一周，這意味著在一整晚的觀測過程中銀心黑洞的成像始終在變化。科學家說，這就好像在晚上給一個到處亂跑的小孩拍照一樣難。

事件視界望遠鏡的8 座望遠鏡都位于地面，它們在觀測星空時都會受到大氣的干擾，就像夏天站在河里的我們看水下的魚一樣——它們的形狀被流動的河水嚴重扭曲。為了解決大氣擾動對銀心黑洞成像的影響，科學家借助了自適應光學技術。科學家從地面發射一束功率很強的黃色激光，高層大氣中的鈉離子受激發光，發光點被稱為“鈉引導星”。鈉引導星同樣會受大氣擾動而產生畸變，但科學家只要能還原鈉引導星本來的形狀，就能用同樣的參數還原黑洞的原樣。

照片中發光的環形結構位于事件視界之外，明亮的環圍繞著一個黑暗的中心區域，光明和黑暗的交接帶就是黑洞的事件視界邊緣。

這張圖是人類第一次捕獲銀心黑洞的圖像。有趣的是，銀心黑洞和M87 黑洞外形十分接近，兩者的相似性證實了廣義相對論的一個預測：所有黑洞，無論大小，形狀都是相似的。

黑洞的怪異之處

20 世紀70 年代初，美國物理學家惠勒向自己的學生提出了一個問題：“如果向黑洞中倒一杯茶，會發生什么？”惠勒關心的并不是黑洞會不會被熱茶燙傷，而是想知道熱茶中的熱量和熵（物質無法被利用的能量）進入黑洞后會不會徹底消失。要知道，根據熱力學定律，熱量和熵是不會消失的。

1971 年，霍金提出了“黑洞面積定理”，即黑洞的事件視界的面積總是增大的。雖然霍金本人發現了黑洞的這個特點，但他也不清楚其中蘊含的意義。破解這個謎團的人是美國物理學家貝肯斯坦，根據他的計算，物體落入黑洞后的熵并不會消失，而是以事件視界表面積增加的形式被黑洞保留下來。

如果將熱茶倒進黑洞，熱茶的熱量和熵又去了哪里

貝肯斯坦解釋說，被黑洞吸收的物體的熱量和熵依然會被黑洞保留

黑洞蒸發的原理

在貝肯斯坦解決了熵難題后，1974 年，霍金解決了黑洞的熱問題。根據量子力學，真空并不是空的，亞原子粒子和它們的反粒子不斷成對出現，又在一瞬間互相湮滅。這種現象如果發生在黑洞的事件視界附近，就會造成有趣的結果：被真空創造出來的一對粒子可能一個在事件視界內，另一個在事件視界外。位于事件視界之內的粒子會被黑洞強大的引力拉入奇點，位于事件視界之外的粒子則會因為失去了湮滅的對象，從而和其他具有相同遭遇的粒子一同逃離黑洞。也就是說，黑洞會不斷對外輻射粒子——這種現象被稱為霍金輻射。任何溫度在絕對零度以上的物體都會向外輻射熱能，黑洞也會向外輻射熱能，因此黑洞也存在溫度，被吸入黑洞的物體的熱量并不會憑空消失。

黑洞里面有什么？

黑洞中心是一個質量、密度和引力都大到不可思議的奇點。根據廣義相對論，奇點是時空曲率無限大的區域，時空也在奇點處完全消失，因此一切物理學原理都不適用于奇點。

黑洞并非毫無原則地吞噬接近自己的物體。如果飛船遠遠地經過黑洞，那么飛船的航行軌跡只會在黑洞引力下發生輕微偏轉，就像經過某個普通恒星一樣。但如果飛船太過靠近黑洞，那么飛船就會不可避免地被吸進黑洞中央。如果飛船進入的是一顆恒星黑洞，這類黑洞往往很小（黑洞大小指黑洞事件視界的半徑），此時飛船頭部受到的黑洞引力遠遠大于飛船尾部受到的引力，在巨大的引力差下，飛船會被撕成碎片，然后碎片會繼續在強大的引力差下被拉成一根根“面條”，旋轉著進入黑洞。但如果進入的是一個超大質量黑洞，那么飛船頭尾受到的引力差就很小，飛船至少能夠在進入事件視界之前保持完整，至于進入事件視界之后會發生什么，就不得而知了。

黑洞對于人類依然是非常神秘的存在（想象圖）

愛因斯坦無法肯定黑洞的存在，是因為當時科學家認為只有從各個方向都完全對稱的完美球體恒星才可能坍縮成奇點，而這樣的恒星在宇宙中幾乎不存在。不過，英國物理學家彭羅斯和霍金發現，只要恒星的質量達到一定臨界點，不論恒星的形狀是否完美對稱，都會形成奇點。根據彭羅斯和霍金的理論，宇宙起源于一個奇點的大爆炸，并將會在某一天重新被擠壓成一個奇點。雖然我們已經看見了黑洞，但人類對黑洞的探知遠未結束。