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黑洞
逃逸速度超過光速的天體
人類首張黑洞照片M87
黑洞 (英文名Black Hole）是廣義相對論所預(yù)言的時空曲率大于光速的天體。它的基本特征是具有一個封閉的視界，外來的物質(zhì)和輻射可以進入視界內(nèi)，而視界內(nèi)的物質(zhì)卻不能跑出視界外。它是由位于其中心的奇點和奇點周圍一定范圍內(nèi)的時空區(qū)域構(gòu)成的。1916年，德國科學家卡爾?史瓦西通過對愛因斯坦場方程的運算證明了黑洞的存在。2019年，人類獲取了黑洞的首張照片。
基本信息
中文名
黑洞
英文名
Black Hole
別名
凍結(jié)星
拼音
Heidong
逃逸速度
超過光速
廣義相對論下，黑洞擁有極簡的物理特征，僅由質(zhì)量、角動量和電荷三個物理量唯一確定。隨著量子理論的滲入，它又呈現(xiàn)出熵、溫度等豐富的物理性質(zhì)。“黑洞”這個名字是美國科學家約翰·惠勒在一次學術(shù)會議上給出的。它是質(zhì)量足夠大的恒星在演化末期坍縮而形成的，通過吸積成長，隨量子輻射而蒸發(fā)衰亡。雖然黑洞表面的逃逸速度大于光速，沒有光線能從其表面射出，人類仍可通過黑洞的吸積和噴流等所輻射的X射線獲知它們的存在訊息。奇點和視界面是黑洞結(jié)構(gòu)的共同特征。對黑洞的預(yù)言，是廣義相對論理論研究中的巨大成果；黑洞無毛定理的誕生，為黑洞理論研究提供了最簡模型；人們通過黑洞的透鏡效應(yīng)，不僅看到了類似“日珥”這樣的太空奇景，還能了解到黑洞背后的星空。
二百多年來，無數(shù)科學家在探索黑洞的道路上留下了自己的足跡。而今，人類已發(fā)現(xiàn)了許許多多大小不同的黑洞，了解到了黑洞的很多方面，科學家們還先后兩次“捕獲”到了黑洞的照片，并利用黑洞合并探測到了引力波。引力波的發(fā)現(xiàn)為人類探索黑洞及整個宇宙提供了新媒介。
黑洞
展開
探索歷程
早在二百多年前，人類就已經(jīng)察覺到了黑洞的存在。
1783年，劍橋大學的教師約翰·米歇爾預(yù)測出了一個超大質(zhì)量、逃逸速度大于光速的“暗星”。1796年，法國科學家拉普拉斯在其《宇宙系統(tǒng)論》中也表達了同樣的推論并稱之為“暗星”或“隱星”。這些預(yù)測通常被視為黑洞概念的萌芽。
1915年愛因斯坦的廣義相對論誕生，這為人類進一步探索黑洞提供了重要的理論依據(jù)。
1916年初德國科學家卡爾·施瓦西通過運算證明宇宙中存在這樣一種極為致密、其周圍時空極度彎曲的天體，光和其它任何物體一旦進入它周圍的一個界面就無法逃脫。這在一定意義上可視為廣義相對論對黑洞的最早預(yù)言
1919年，英國赴西非的探險隊在日食時觀察到光線通過太陽附近會稍微偏折，這是空間和時間被彎曲的直接證據(jù)，愛因斯坦的廣義相對論得到了廣泛的確認。研究黑洞的理論也因此變得更加完善。
1928年印裔美籍物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡經(jīng)過計算確認了“錢德拉塞卡極限”。1939年美國物理學家奧本海默沿著當年錢德拉塞卡的足跡，用同樣的方法計算后發(fā)現(xiàn)，中子星同樣具有一個質(zhì)量上限，即“奧本海默極限”。一顆大質(zhì)量恒星死后遺骸的質(zhì)量超過奧本海默極限的話，最終將不可避免地形成黑洞。1963年，新西蘭物理學家羅伊·克爾得到了能描述不帶電旋轉(zhuǎn)恒星的愛因斯坦引力場方程的解，由這類恒星坍縮形成克爾黑洞。1964年，有科學家用觀測的方法發(fā)現(xiàn)了第一顆恒星級的黑洞。1965年紐曼等人求得愛因斯坦場方程的旋轉(zhuǎn)并帶電荷的克爾-紐曼黑洞的精確解。
1967年劍橋大學女研究生喬瑟琳·貝爾發(fā)現(xiàn)了中子星， 這是中子星存在的第一個明確無誤的證據(jù)。中子星的存在由假說變成現(xiàn)實，這給相信黑洞存在的科學家?guī)砹诉M一步的鼓舞。同年，美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒在一次學術(shù)會議上首次使用“黑洞”這個名詞，并被大家廣泛接受。
1971年英國物理學家霍金證明了黑洞物理的一條重要定理“黑洞視界面積不減定理“，后來以色列青年雅各布·貝肯斯坦在黑洞面積永不減小的理論基礎(chǔ)上，提出了黑洞熵的概念。1974年霍金又發(fā)現(xiàn)了黑洞的量子輻射，即霍金輻射。
2016年2月11日美國LIGO項目科學家宣布，人類首次直接探測到了引力波，這是2015年9月14日由美國兩個激光干涉引力波天文臺同時檢測到的，這是黑洞存在的無可置疑的明證，人類將以最直接的方式觀測黑洞。
2022年5月12日，視界望遠鏡合作組織EHT發(fā)布了銀河系中心的一個黑洞——人馬座A*的直接圖像。它的質(zhì)量大約是太陽的400萬倍，距離地球約2.6萬光年。
2023年1月19日中國科學家利用郭守敬望遠鏡（LAMOST）的超大光譜數(shù)據(jù)樣本發(fā)現(xiàn)，恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律會隨恒星金屬元素含量和年齡的變化而發(fā)生顯著變化，刷新了對恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律的傳統(tǒng)認知，這將對天體物理學多個領(lǐng)域的研究產(chǎn)生影響，也將為黑洞的研究增添一個新思路。
2023年3月30日，美國科學家利用詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，發(fā)現(xiàn)了迄今已知最古老黑洞，這個黑洞在宇宙大爆炸后5.7億年形成，這一發(fā)現(xiàn)可幫助人們理解黑洞這類宇宙“怪獸”的起源及演化歷程。
探索黑洞的歷程還將展開新的篇章，世界各國科學家的協(xié)作正在逐漸破解黑洞之謎。
形成和演化
引力坍縮
黑洞產(chǎn)生的過程就是恒星衰亡的過程。當一顆質(zhì)量大于太陽3.2倍的恒星衰老時，它中心產(chǎn)生的能量越來越少，沒有足夠的力量承擔起外殼的重量，在自身引力的作用下，核心迅速地收縮，當核心的所有物質(zhì)都變成中子時，被壓縮成一個密實的體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。當核心的質(zhì)量大到使收縮過程無休止地進行下去的時候，中子本身被碾壓成粉末，剩下來的是一個密度高到無法想象的物質(zhì)。由于質(zhì)量而產(chǎn)生的力量，使得任何靠近它的物體都被它吸進去，包括光。
這個過程我們也可以從化學的角度去理解。通常，一顆正常的恒星最初只含氫元素，恒星內(nèi)部的氫原子核時刻相互碰撞，發(fā)生聚變。由于恒星質(zhì)量很大，聚變產(chǎn)生的能量與恒星萬有引力抗衡，以維持恒星結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。氫原子核的聚變產(chǎn)生新的元素——氦元素，接著，氦原子也參與聚變，改變結(jié)構(gòu)，生成鋰元素。如此類推，按照元素周期表的順序，會依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，該恒星便會坍塌。這是由于鐵元素相當穩(wěn)定，參與聚變時釋放的能量小于所需能量，因而聚變停止，而鐵元素存在于恒星內(nèi)部，這導致恒星內(nèi)部不具有足夠的能量與質(zhì)量與巨大恒星的萬有引力抗衡，從而引發(fā)恒星坍塌，最終形成黑洞。
高能碰撞
人類無法去研究真實的黑洞，但人類研制的大型強子對撞機，為人造黑洞創(chuàng)造了條件。大型強子對撞機是一種將質(zhì)子加速對撞的高能設(shè)備。當兩個質(zhì)子束在環(huán)形隧道沿著反方向運動的時候強大的電場使它們的能量急劇增加，每運行一圈就會獲得更多的能量，直到接近光速發(fā)生碰撞。高能碰撞可以產(chǎn)生微型黑洞，微型黑洞很快就會蒸發(fā)掉，因為失去能量而消失，不足以對人類的安全造成威脅。但仍有科學家認為這很危險。
吸積與成長
黑洞以自身強大的引力從周圍的空間中俘獲氣體、塵埃等物質(zhì)而使自身重量不斷增加，這個過程被稱為吸積。在附近的宇宙中，小黑洞主要通過吸積成長，非常大的黑洞主要通過合并成長，兩個黑洞可以互相融合形成一個更大的黑洞。相反，在遙遠的宇宙中，小黑洞主要通過合并成長，大黑洞則是通過吸積成長。
年輕的黑洞通過對周圍物質(zhì)的不斷吸積或與另一黑洞合并而發(fā)展壯大，但黑洞也如恒星一樣不會永生，無法避免衰亡的宿命。
蒸發(fā)
根據(jù)量子理論，真空并不是一無所有，而是不斷地有虛的正反粒子對產(chǎn)生。它們不停地重復著產(chǎn)生、湮沒的過程，像潮水的漲落一樣時起時消，這被稱為”真空漲落”。霍金認為，假如這種漲落發(fā)生在黑洞周圍，那么會有一種情況不可避免，一對正反粒子中的一個掉進黑洞里，另一個成功逃離黑洞飛到遠處。如果一個反粒子被吸入黑洞，可視為一個正粒子從黑洞逃脫。正粒子攜帶著從黑洞里來的正能量逃逸了，即黑洞的總能量減少了。能量的損失導致質(zhì)量的損失，當黑洞損失質(zhì)量時，它的溫度和發(fā)射率增加，質(zhì)量損失會更快。這就是1974年誕生的“霍金輻射”。最后所有的黑洞將隨著時間的推移慢慢地蒸發(fā)掉。大黑洞輻射地慢，小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到發(fā)生爆炸。
主要性質(zhì)
質(zhì)量
一個穩(wěn)態(tài)黑洞的起始質(zhì)量來自與產(chǎn)生它的恒星，或合并前的黑洞。廣義相對論下，質(zhì)量或能量的分布決定了時空的性質(zhì)，引起時空彎曲。黑洞的質(zhì)量集中于體積無限小密度無限大的奇點，由它產(chǎn)生的時空曲率超過光速。黑洞的質(zhì)量正比于黑洞的視界半徑，即史瓦西半徑?？赏ㄟ^史瓦西半徑求得黑洞質(zhì)量。由于黑洞只進不出的性質(zhì)，黑洞的質(zhì)量和表面積一樣只增不減。一個不帶電不旋轉(zhuǎn)的黑洞可以由質(zhì)量唯一確定。
角動量
角動量是描述物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)的物理量。靜止的黑洞角動量為0。一個旋轉(zhuǎn)的黑洞的角動量可能會隨著新物質(zhì)的落入而不斷變化。 視界的大小可以變大，而奇點和能層的大小可以變大或變小，這取決于新物質(zhì)的角動量。 具有角動量的真實黑洞周圍有被拖曳著旋轉(zhuǎn)的空間。宇宙中普遍存在著不帶電而旋轉(zhuǎn)的黑洞，只需要角動量、質(zhì)量兩個物理量量就能區(qū)分兩個不同的黑洞。
溫度與表面引力
由于黑洞會不斷產(chǎn)生輻射并且散失到太空中，黑洞的終極命運將是徹底蒸發(fā)、消失于無形。但在2016年，霍金提出黑洞的“軟毛”可以保存黑洞熵的部分信息。所謂軟毛，是黑洞視界面附近的光子。它們來自黑洞蒸發(fā)過程中的輻射。一個系統(tǒng)存在熵就存在溫度，在視界面與熵成正比的前提下容易證明表面引力與溫度成正比。表面引力就是將物體放在視界處受到的引力場強度。也就是說，黑洞所對應(yīng)的溫度正比于黑洞視界的引力強度，取決于黑洞的大小。一個只是太陽幾倍重的黑洞，它的溫度相當于絕對零度，只比絕對零度高出億分之一度。
黑洞熱力學
黑洞熱力學是在霍金輻射理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1974年，霍金在考慮黑洞附近的量子場論時，他發(fā)現(xiàn)黑洞并不完全是”黑“的，而是以熱輻射的形式在向外輻射物質(zhì)，輻射溫度正比于它的表面引力，這種輻射是一種量子效應(yīng)?；艚疠椛涞囊粋€重要意義是使人們相信黑洞是一個真實的熱力學系統(tǒng)。惠勒的學生雅各布·貝肯斯坦在黑洞面積永不減小的理論基礎(chǔ)上，提出了黑洞熵的概念。他認為，在不違背熱力學第二定律的前提下，從信息論的角度出發(fā)，黑洞應(yīng)該有一個正比于它的視界面積的熵。霍金確定了這一正比例關(guān)系的系數(shù)并真正把黑洞的熵建立在黑洞的熱力學基礎(chǔ)之上。對照普通的熱力學體系，黑洞有了自己的“熱力學定律”和相應(yīng)的計算公式。黑洞熵和黑洞外物質(zhì)熵之和在任何物理過程中永不減??；不能經(jīng)過有限的物理過程將黑洞的溫度降低到零；對于一個穩(wěn)態(tài)黑洞，它的視界表面引力是一個常數(shù)，它定義了黑洞的溫度；對應(yīng)熱力學第一定律，黑洞熱力學也有自己特有的能量守恒體系。黑洞熱力學的研究正在揭示廣義相對論、熱力學和量子理論之間的深刻聯(lián)系。
電磁輻射
當黑洞吞吃恒星等物質(zhì)時，這些物質(zhì)會被它撕扯成氣體并在視界外圍形成一個旋轉(zhuǎn)的吸積盤。這些被吸積的氣體一邊旋轉(zhuǎn)一邊向視界面靠近，越靠近視界面轉(zhuǎn)速越快。這些高速旋轉(zhuǎn)的氣體之間的摩擦產(chǎn)生大量的熱，吸積盤中心的強高溫氣體迸發(fā)出強烈的輻射。
人類探測到的黑洞，大部分位于宇宙中普遍存在的雙星系統(tǒng)中。有時雙星系統(tǒng)中的另一個天體是正常的恒星。正常恒星的物質(zhì)會被黑洞吸引過去，并首先進入吸積盤中。當被吸積的氣體過多時，一部分沒能落入黑洞的氣體會沿著黑洞的兩個轉(zhuǎn)軸被拋射出去，產(chǎn)生非常壯觀的噴流。
結(jié)構(gòu)特征
黑洞的基本特征是由視界面來表征的，奇點和視界面是黑洞結(jié)構(gòu)的共同特征。質(zhì)量、電荷、角動量三個物理量可確定唯一一個黑洞，這是黑洞的物理性質(zhì)，同時也表明了黑洞擁有非常簡單的結(jié)構(gòu)特征。能層、光子球等是它的附屬特征。
奇點
奇點是位于黑洞中心的，體積無限小、密度無窮大、時空曲率無窮大的點。
廣義相對論誕生后不久，卡爾·史瓦西預(yù)言，宇宙中存在一種足夠致密的恒星，它會被自身的引力壓縮，最終坍縮成一個體積無限小密度無限大的點，留下的只有引力場，自己本身消失殆盡。后來這個點被稱為奇點。奇點是無限小的空間中包含著巨大質(zhì)量的一維點，是宇宙中密度最高的地方， 具有極強的引力，任何物體只能在它周圍的一定區(qū)域外游弋，這個區(qū)域被稱為視界。越過視界面的一切物體，都會被拽向奇點。因其逃逸速度超過光速而沒有一絲光線向外射出，我們只能根據(jù)它對周圍物質(zhì)產(chǎn)生的影響確定它的存在。
克爾黑洞由于旋轉(zhuǎn)的原因，它的中心不是一個點，而是一個奇環(huán)，由奇點圍成的一條圓圈線。掉入克爾黑洞的物體有可能穿過奇環(huán)進入一個新的時空區(qū)域。
視界面
視界面是包括光在內(nèi)的任何物質(zhì)都無法逃逸的時空分界面。在距離黑洞中心的某一距離處，逃逸速度等于光速，在此距離內(nèi)，任何物質(zhì)都不能逸出，此距離被稱為史瓦西半徑，史瓦西半徑處想象中的球面就是視界面，簡稱視界。視界的大小與形成這個黑洞的恒星質(zhì)量成正比。不旋轉(zhuǎn)黑洞和旋轉(zhuǎn)黑洞的視界面不同。
- 旋轉(zhuǎn)的克爾黑洞，有內(nèi)外兩個視界面，一個是球形一個是扁球形。球形的視界面稱為事件視界面；扁球型的視界面稱為靜止界限, 簡稱靜限。
能層
旋轉(zhuǎn)黑洞除了有內(nèi)外兩個視界面外，還有內(nèi)外兩個無限紅移面。在外視界和外無限紅移動面之間，內(nèi)內(nèi)視界和內(nèi)無限紅移面之間，各存在一個能層。穿過外紅移面進入外能層的物體，只要不進入外視界，就并未進入黑洞，仍有可能逃離。進入外視界的物體將落入內(nèi)視界無法逃離。能層中的能量是黑洞系統(tǒng)產(chǎn)生噴流的能量來源。這種能量是可以通過大尺度磁場提取的。
黑洞剖面圖
光子球
光子球是個零厚度的球狀邊界。黑洞的引力在這個邊界所產(chǎn)生的重力加速度，剛好使得部分光子以圓形軌道繞黑洞旋轉(zhuǎn)，對于不旋轉(zhuǎn)的黑洞，這個軌道大約是史瓦西半徑的1.5倍，會隨著黑洞的成長而變動。
最內(nèi)側(cè)的穩(wěn)定圓形軌道
圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的吸積盤，有一個臨界區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，物質(zhì)不再能穩(wěn)定地繞黑洞旋轉(zhuǎn)，如果沒有外力的幫助，注定會被黑洞吞噬。這個位置在吸積盤和黑洞的事件視界之間，被稱為“最內(nèi)層穩(wěn)定圓軌道”，簡稱ISCO。對于一個簡單的、不旋轉(zhuǎn)的黑洞，其ISCO是史瓦西半徑的三倍。對于普遍存在的旋轉(zhuǎn)黑洞，ISCO就很難計算，因為這取決于黑洞旋轉(zhuǎn)的速度，以及物體所處的軌道是隨著黑洞旋轉(zhuǎn)，還是反其道而行逆行。
分類
根據(jù)質(zhì)量大小分類
- 原初黑洞： 起源于早期宇宙的密度漲落。是宇宙中質(zhì)量最小存在時間最短的黑洞，遠在恒星形成之前，大爆炸結(jié)束之后不久就已經(jīng)存在。這類黑洞不是由大質(zhì)量恒星引力坍縮形成的。它們的質(zhì)量既能只有幾克，又可以重到百億太陽質(zhì)量。有科學家猜測，它可能是超大質(zhì)量黑洞的種子黑洞。早在上個世紀60年代，美國物理學家澤爾多維奇和霍金分別指出了這類黑洞存在的理論可能性。
微型黑洞：原初黑洞的一種。根據(jù)大爆炸宇宙學理論，在早期宇宙中，可能存在一些微型黑洞，一個質(zhì)量為10的15次方克重的黑洞。其空間尺度只有10的-13次方厘米左右，相當于一個原子核的大小。由于溫度很高而有很強的發(fā)射。高能天體研究所發(fā)現(xiàn)的高能爆發(fā)過程也許就是這些小黑洞的發(fā)射及其最終的爆發(fā)引起的。
2. 恒星級黑洞：起源于大質(zhì)量恒星的引力坍縮，是大質(zhì)量恒星死亡后形成的，是宇宙中存在最廣泛的黑洞。理論上預(yù)測，銀河系中可能有上億個這樣的黑洞。2019年11月28日，中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發(fā)現(xiàn)，在國際科學期刊《自然》上發(fā)布，一顆70倍太陽質(zhì)量的黑洞，通過中國的郭守敬望遠鏡被發(fā)現(xiàn)。這顆黑洞的質(zhì)量遠超理論預(yù)言的質(zhì)量上限，顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知。雖然理論預(yù)言銀河系有上億顆恒星級黑洞，但一共發(fā)現(xiàn)的只有約20顆，且質(zhì)量都小于20倍太陽質(zhì)量。1964年有科學家用觀測方法發(fā)現(xiàn)了第一顆恒星級黑洞。
- 超大質(zhì)量黑洞：質(zhì)量特別大的黑洞被稱為超大質(zhì)量黑洞，幾乎在所有星系的中心都存在超大質(zhì)量黑洞，通常有太陽質(zhì)量的100萬到幾十億倍，霍爾姆15A星系團中的黑洞質(zhì)量是太陽的400億倍。這種黑洞可能產(chǎn)生于種子黑洞的吸積，也可能產(chǎn)生于黑洞的并合過程。超大質(zhì)量黑洞的密度可以很低，甚至比空氣的密度還要低。
- 中等質(zhì)量黑洞：在恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間存在的中間級黑洞，目前這種黑洞存在的有力的證據(jù)來源是低光度的活動星系核，它的中心黑洞的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的一百萬倍以內(nèi)。2019年5約1日LIGO和Virgo兩座引力波天文臺發(fā)現(xiàn)了距離地球約170億光年的142倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞。這是人類探測到的首個中等質(zhì)量黑洞。它是由兩個黑洞合并而來的。
根據(jù)廣義相對論下黑洞的時空幾何特征分類：
1. 史瓦西黑洞， M（質(zhì)量）不等于0，J (角動量)和Q(電荷) 等于0。 史瓦西于1916年提出了史瓦西黑洞假說，這是一種不帶電、不自旋的黑洞。史瓦西黑洞又被稱為“尋常黑洞”，其本身只是一種假說模型，是理想狀態(tài)下的黑洞，并不能代表現(xiàn)實當中黑洞的真實面貌。
2. 克爾黑洞， M不等于0，J不等于0， Q=0?？藸柡诙词切D(zhuǎn)不帶電的黑洞，有內(nèi)外兩個視界，其間有能層。1963年，新西蘭數(shù)學家、物理學家羅伊·克爾得到了能描述不帶電旋轉(zhuǎn)恒星的愛因斯坦引力場方程的解，由這類恒星坍縮形成的黑洞被稱為克爾黑洞。相比于靜態(tài)的史瓦西黑洞，克爾黑洞更接近于實際物理上的黑洞。
3. 瑞斯尼-諾斯特朗黑洞， M不等于0，J=0，Q不等于0。這是一種帶電但不旋轉(zhuǎn)的黑洞 。
4. 克爾-紐曼黑洞， M不等于0，J 不等于0，Q不等于0。 這是一種旋轉(zhuǎn)且?guī)щ姷暮诙?/span>。
瑞斯尼-諾斯特朗黑洞和克爾紐曼黑洞兩種都是帶電黑洞，一般認為帶電的黑洞不大可能具有重要的天體物理意義，因為在天體物理環(huán)境中，一個帶電天體將被周圍的等離子體迅速中性化。所以在天體物理中具有重要意義的是史瓦西黑洞和克爾黑洞。宇宙中存在的黑洞大多都是克爾黑洞。
相關(guān)研究
黑洞與廣義相對論
在廣義相對論理論體系中，時間和空間合在一起被稱為時空。時空是一體化的，不可分的。 曲率指彎曲的程度。時空曲率指的是時空被彎曲的程度。宇宙中一切物質(zhì)的運動都可以用時空曲率來描述，引力場實際上是一個彎曲的時空，這個彎曲的時空決定了物質(zhì)和能量運動的規(guī)則。在引力場中，時空的性質(zhì)是由物體的“質(zhì)量”（或能量）分布決定的，物體“質(zhì)量”的分布狀況使時空性質(zhì)變得不均勻，引起了時空的彎曲。物質(zhì)密度越大的地方，時空曲率也就越大。也就是說，當光線經(jīng)過一些像黑洞這樣的“大質(zhì)量”的天體時，它的路線是彎曲的，它將沿著“大質(zhì)量”物體所形成的“時空曲面”前進。萬有引力的本質(zhì)是時空彎曲。廣義相對論成功預(yù)言了黑洞，是黑洞研究的重要理論依據(jù)。
科學家從十八世紀就開始猜想黑洞的存在，直到廣義相對論誕生，黑洞的真實存在才得到確認。物理學家史瓦西利用愛因斯坦方程求解，得到了廣義相對論的一個嚴格解——如今被稱為施瓦西解，推導出了一個擁有無限密度和極高質(zhì)量的天體，這就是黑洞。它能使時空發(fā)生極度彎曲，要擺脫這種時空彎曲，所需的逃逸速度超過了光速，可宇宙間沒有可以超過光速的物質(zhì)，所以包括光在內(nèi)的所有物質(zhì)，只要進入黑洞就無法逃脫。
而今人類已經(jīng)手握黑洞照片，這與愛因斯坦廣義相對論所預(yù)言的黑洞完全吻合。
黑洞無毛定理
黑洞是由大質(zhì)量恒星坍縮聚集而成的體積無限小、密度無限大的奇點和周圍幾乎空空如也的一部分天區(qū)組成的，已喪失了形成它的恒星的一切訊息。落入黑洞的視界面的物體，它的絕大部分信息已失去。美國物理學家約翰?惠勒認為，黑洞只剩下質(zhì)量M、角動量 J 和電荷Q三個特征。知道了這三個特征也就知道了有關(guān)它的一切。無論什么樣的黑洞，其最終性質(zhì)僅由質(zhì)量、角動量、電荷這三個物理量惟一確定。這種特征被他戲稱為“黑洞無毛”。這就是有名的黑洞無毛定理。毛”指的是坍縮前恒星的種種細節(jié)。1973年霍金、布蘭登·卡特爾等人證明了“無毛定理”的正確性。
黑洞無毛定理形象地展示了黑洞這種特殊天體極簡的物理特征。
同時，黑洞無毛定理也沒有否認可能有其它量子荷的存在。“黑洞無毛”的觀點被量子力學挑戰(zhàn)后，黑洞的特征變得多了起來。
黑洞的透鏡效應(yīng)
黑洞巨大的引力，使得它周圍的光線發(fā)生大幅彎曲并向著它的方向靠近。即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間繞過黑洞而到達地球，這樣我們就能觀察到黑洞背面的星空了，就像黑洞本身不存在一樣。有些恒星不僅是朝著地球這邊發(fā)出的光能直接到達地球，朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近黑洞的強引力彎曲而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的正 面，還同時看到它的側(cè)面、或背面，甚至有時可以看到來自同一顆恒星的兩個或多個像。黑洞通過這種引力透鏡效應(yīng)把自己藏在茫茫宇宙之中，給人類留下無限遐想和猜測。
探索成果
黑洞照片
直接觀測黑洞的序幕是由黑洞的首張照片拉開的。2019年4月10日，事件視界望遠鏡(EHT)宣布，已成功獲得超大質(zhì)量黑洞的第一個直接視覺證據(jù)，該黑洞圖像為室女座星系團中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞，它距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍。由8個地面射電望遠鏡組成的觀測陣列，形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡來捕捉黑洞圖像，其所達到的靈敏度和分辨本領(lǐng)都前所未有。愛因斯坦提出的廣義相對論得到了首次試驗驗證。
通常認為大多數(shù)星系中心都存在一個超大質(zhì)量黑洞。我們所在的銀河系中心的黑洞大約有400萬倍太陽的質(zhì)量。
2022年5月12日，人類首次拍攝到銀河系中心超大質(zhì)量黑洞*(簡稱Sgr A*)的照片。這是繼2019年4月人類拍攝到室女座星系團中M87中心超大質(zhì)量黑洞照片后的第二張黑洞照片。這張照片集結(jié)了來自全球80個研究機構(gòu)共300多名研究人員組成的EHT合作組織的共同努力才得以實現(xiàn)。除了開發(fā)復雜的工具來克服Sgr A*成像面臨的挑戰(zhàn)外，研究團隊花了五年時間，用超級計算機合成和分析數(shù)據(jù)，編纂了前所未有的黑洞模擬數(shù)據(jù)庫與觀測結(jié)果進行嚴格比對。
這次發(fā)布的觀測成果給出了該天體就是黑洞的實證，為人類理解星系中心的黑洞的行為提供了 寶貴的線索 。這意味著人類在觀測設(shè)備、觀測技巧、數(shù)據(jù)處理能力等多方面有了一次系統(tǒng)化的飛躍。同時，這一成果進一步提升了對愛因斯坦廣義相對論的檢驗。該照片由事件視界望遠鏡（EHT）合作組織這個國際研究團隊，通過分布在全球的射電望遠鏡組網(wǎng)“拍攝”而成，科學家之前已觀測到眾多的恒星圍繞著銀河系中心一個不可見的、致密的和質(zhì)量極大的天體作軌道運動。這已強烈暗示這個被稱作人馬座A*的天體是一個黑洞，而這次所得的照片則提供了首個直接的視覺證據(jù)。
黑洞與引力波
廣義相對論預(yù)言了黑洞也預(yù)言了引力波。引力波是大質(zhì)量天體爆發(fā)、旋轉(zhuǎn)或合并等事件引發(fā)的“時空漣漪”。在物理學中，引力波以引力輻射的形式傳輸能量 當物質(zhì)的分布改變時，時空也會發(fā)生相應(yīng)變化，就好像在平靜的湖面丟進一塊石子，湖面就有一圈波浪向外蕩漾，時空也會將漣漪向外傳開，這就是引力波。因為引力波攜帶著波源的信息，所以可以被當作探測宇宙深處的工具。 引力波的頻率很寬， 就像交響樂中的高、低、中音一樣。不同頻率有不同的探測方法?？茖W家們可以通過捕捉和測量引力波，計算出黑洞的質(zhì)量。2016年2月11日，美國LIGO項目科學家宣布，人類于2015年9月14日首次直接探測到了引力波，人類“聽”到了黑洞。13億光年之外，兩個黑洞合并產(chǎn)生的引力波被美國的“激光干涉引力波天文臺”探測到，這為黑洞的存在提供了最直接明確的證明。同時也證明了恒星級雙黑洞系統(tǒng)的存在。合并過程中相當于有３個太陽質(zhì)量的能量以引力波的形式釋放。自２０１５年到2018年，科學家探測到１０次由黑洞合并事件產(chǎn)生的引力波。黑洞使人類發(fā)現(xiàn)引力波，并有了利用引力波探索和感知宇宙的新能力，能夠更精確地來觀察宇宙中遙遠的角落。源自大爆炸的引力波，還能幫助科學家更好地理解宇宙的構(gòu)成。
探索黑洞的意義
黑洞是宇宙空間中一處離奇古怪、神秘莫測的風景，我們越是看不到它越想知道它的樣子。探索未知是人類生存和前進的動力，也推動人類向更先進更文明的方向發(fā)展。了解黑洞這一天體，有利于我們探索時空的起源、推測宇宙的未來；也有益于增強人類面對生存挑戰(zhàn)的能力，減少太空探索風險；同時黑洞也吸引了更多的人加入到天文學研究中來；物理學研究也由此獲得了許多新的靈感。有跡象表明，黑洞也許是科學家將廣義相對論和量子理論統(tǒng)一起來的一個向?qū)?，從而推動人類科學進一步發(fā)展。
物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何運動。黑洞彎曲了時空，捕獲著周圍的物質(zhì)，時空也讓黑洞在廣義相對論的規(guī)則下存在和運動。它們或大或小，或輕或重，遍布宇宙星空。現(xiàn)在我們只能看到它的外圍，它里面究竟是什么樣，最大的那一顆藏在哪里，它們吞吃多少才足夠, 有關(guān)黑洞的種種謎團仍舊等待人類去破解。探索黑洞的道路上，有你，有我，有跨國界的科學協(xié)作，有人類共同的追求與和執(zhí)著。
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