通過以下十個問題來揭祕黑洞

此藝術概念圖展示了一個太陽品質數百萬至數十億倍的超大黑洞。超大品質黑洞一般隱藏在星系中心。圖片來自： NASA/JPL-Caltech

黑洞是宇宙中密度極大、連光也無法從中逃脫的天體。黑洞神祕又奇特，它們對於揭示引力如何作用有著重要的意義：當大量的物體壓縮到足夠小的空間時，產生的物體就會撕裂空間和時間的結構，成為所謂的“奇點”。一個黑洞的引力巨大到可以吞噬其周圍（事件視界）所有的物質。

這裡是關於黑洞您可能想知道的十件事：

這是一個合成圖，影象中以可見光和X射線顯示了星系 NGC 1068的結構。用來自NASA哈勃太空望遠鏡和斯隆數字天空測量的可見光圖覆蓋在NASA的核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）捕獲的高能X射線（品紅色）影象上。X射線來自該星系中心的一個活躍的超大品質黑洞，也稱為類星體。由於它與我們的銀河系相對較近，因此已經對其進行了深入研究。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/Roma Tre Univ.

1.黑洞看不見，那麼我們如何知道黑洞的存在？

沒有任何光線（包括X射線），能夠逃離黑洞的事件視界內——越過即無法返回的區域。美國國家航空航天局（NASA）研究黑洞的天文望遠鏡觀察著黑洞周圍的環境，那裡有一些非常靠近事件視界的物質。在視界外，越靠近黑洞視界的物質運動速度越快，在距離不同造成的速度差之下進一步產生劇烈的摩擦，因而物質就會被加熱到數百萬度的高溫，所以它會在（視界外）X射線中發光。黑洞巨大的引力同樣會扭曲自身空間，所以能夠看到無形的引力對恆星和其他物體的影響，例如愛因斯坦環等。

在2015年，研究人員發現一個名為CID-947的黑洞成長速度遠超其所在的星系。這個黑洞在星系的中心位置，是太陽品質的70億倍，屬於已發現的最大品質的黑洞之一。然而該星系的品質被認為是正常的，因為它發出的光需要穿過非常長的距離，科學家們目前觀測到的它正處於宇宙年齡小於20億年時，只有它現在年齡的14%（宇宙大爆炸已發生140億年）。圖片來源：M. Helfenbein, Yale University / OPAC

2.形成一個黑洞需要多久？

在一個大品質恆星坍塌後數秒內，就可能形成一個太陽品質數十倍的黑洞。兩顆被稱為中子星的緻密恆星殘骸融合過程中也能產生相對較小的黑洞。一箇中子星也能與黑洞合併產生更大的黑洞，或者兩個黑洞可以互相撞擊。這樣的融合使得黑洞的成長速度更快，同時產生被稱為引力波的時空漣漪。

更神祕的是在星系中心地帶發現的超大品質黑洞——是太陽品質的數百萬乃至數十億倍。不超過十億年黑洞就能達到非常大的規模，但是一般來說還不知道形成這樣的超大黑洞需要多長時間。

如圖所示，科學家們使用了視界望遠鏡觀測M87星系的中心，獲得了第一張黑洞照片。這張照片上顯示出一個明亮的光環，是光受到品質大於65億個太陽的黑洞附近強大的引力而彎曲形成的。圖片來源：Event Horizon Telescope Collaboration

3.科學家們如何計算超大品質的黑洞？

科學家們主要觀測位於星系中心的恆星的運動。這些恆星的運動意味著一個黑暗的、巨大的物體的引力作用，其品質能夠通過運動速度計算出來。物體進入到黑洞中，就會增加黑洞的品質和引力。

這張圖片展示了黑洞周圍的活動。雖然看不到經過黑洞視界的物質，但超出此閾值的物質旋轉加速到數百萬度並輻射出X射線輻。圖片來源：CXC/A.Hobart

4.黑洞是否會“吞噬”整個星系？

答案是否定的，黑洞無法吞噬整個星系。星系中超大品質黑洞的引力範圍很大，但是還不足以到可以吞噬整個星系。

該圖顯示了一束髮光物質流，其源於遭到超大品質黑洞吞噬而裂解的恆星。黑洞周圍環繞著恆星的餘燼。當一顆恆星距離黑洞足夠近到被其吞噬時，恆星物質在進入黑洞後會被拉伸並壓縮的同時釋放巨大的能量。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

5.如果你跌入黑洞會發生什麼？

當然是糟透了！但是通過阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的廣義相對論我們能得知黑洞內部的世界。

以黑洞為參照物，距離黑洞較遠的觀測者只能看到事件視界外的區域，但落入黑洞的個體觀測者卻會經歷另一種完全不同的“現實”。如果你進入了事件視界，你對於空間與時間的概念將被完全顛覆。與此同時，巨大的黑洞引力將在水平方向上壓扁你的身體，在豎直方向上把你拉長，此時的你就像一根麵條一樣，這就是為什麼科學家稱這種現象為“義大利麵條化”（這可不是開玩笑）。

幸運的是，這種悲慘的經歷沒有在任何人身上發生過，因為黑洞距離太陽系太遠了，它並不能從我們的太陽系吸走任何物質。科學家已觀察到黑洞撕裂恆星的現象，這一過程釋放了大量的能量。

NASA的錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray observatory）探測到某個黑洞附近的一個吸積盤所產生的速度比以往所有觀測到的都要快。這張藝術圖片表現出左半部黑洞強大的引力正將氣態物質吸出圖中右邊的伴星。該氣體在黑洞的周圍形成了一個熱的氣態盤，以2000萬英里每小時（光速的3%）的“風速”吹散這個氣態盤。圖片來源：NASA/CXC/M.Weiss

6.要是太陽變成黑洞了會怎樣？

別想太多了，太陽是永遠也不會變成黑洞的，因為它的品質太小，不足以讓它爆炸。既然不會變黑洞那會變成什麼呢？答案是白矮星，一種緻密的恆星殘骸。

不過我們可以假設太陽突然變成了一個和它現在本身品質相同的黑洞，但這並不會對行星執行的軌道造成影響，因為它對太陽系的引力影響同以前一樣。所以，地球仍將繞著“太陽”公轉而不會被吸進去，但缺少Sunny對於地球生命的影響將會是毀滅性的。

銀河系的中心區域集結著各種奇異的天體，其中包括一個名為“人馬座A*”的超大品質黑洞，基品質約太陽品質的400萬倍；溫度高達百萬攝氏度的氣體物質；吞噬其主星物質以及射電輻射形成的美麗的卷鬚狀物。人馬座A*附近區域的影象是由錢德拉資料（綠色和藍色）與來自南非的貓鼬望遠鏡（ the MeerKAT telescope）觀測到的無線電資料（紅色）複合而成的。貓鼬望遠鏡最終將變為平方公里陣列望遠鏡的一部分。影象與X射線來源：NASA/CXC/UMass/D. Wang et al.；無線電來源：SARAO/MeerKAT

7.黑洞會影響我們的星球嗎?

當一顆大品質的恆星爆炸時，會留下一個恆星品質黑洞。這些爆炸將碳、氮、氧等生命所必需的元素分配到宇宙中。兩個中子星，兩個黑洞，或者一箇中子星和一個黑洞合併，同樣地會將重元素分佈到四周，而這些重元素有一天有可能變成一顆新行星的一部分。恆星爆炸產生的衝擊波也有可能會引發新恆星和新太陽系的形成。所以，在某種意義上，我們地球的存在要歸功於很久以前黑洞形成的爆炸和碰撞事件。

從更大範圍上來說，大多數的星系中心都存在著超大品質黑洞。這些超大品質黑洞的形成和星系的形成之間的聯絡至今尚未清楚。我們銀河系的形成過程中，黑洞可能起過作用。但是這是個關於先有雞還是先有蛋的問題，到底是哪個先出現，是星系還是黑洞？這是我們宇宙中最大的謎團之一。

8.迄今發現的最遠的黑洞在哪裡？

目前發現最遠的黑洞位於距離地球131億光年外的一個星系（宇宙的年齡目前估算是138億年，這意味著這個黑洞誕生於宇宙大爆炸6.9億年之後）。

這個超大品質黑洞被天文學家稱之為“類星體”，大量的氣體以極快的速度湧入黑洞中，其能量輸出是星系本身的一千倍。正因為其極高的亮度，天文學家才能夠從如此遙遠的距離外探測到。

這張照片的中心區域包含了迄今為止發現的最密集的超大品質黑洞，整片天空中有大約十億個黑洞。這張2017年的照片由錢德拉（Chandra）耗時81天觀測製成（這句不確定準不準，換算成了天數，不確定“700萬秒錢德拉觀測時間”是不是專業術語需要保留），是錢德拉南深空區的一部分。它前所未有地用X射線觀測誕生初期的宇宙，讓天文學家得以窺探宇宙大爆炸後數十億年間黑洞的成長，在這張圖片中，錢德拉（Chandra）探測到的低、中、高能量X射線分別顯示為紅色、綠色和藍色。圖片來源：NASA/CXC/Penn State/B.Luo et al.

9.如果沒有東西能從黑洞中逃脫，那麼整個宇宙最終會不會被吞沒？

宇宙是一個超大空間。特別是與星系的大小相比，一個特定的黑洞具有顯著的引力影響的區域大小是非常有限的。這甚至適用於超大品質黑洞，比如我們在銀河系中心發現的那個。這個黑洞也許已經“吃掉”了附近形成的大部分或者全部恆星，但是更遠的恆星是安全的，不會被拉進去。由於這個黑洞的品質已經是太陽品質的幾百萬倍，因此即使它再吞噬下幾顆類日恆星，它的品質也只會有很小的增加。距離銀河系黑洞有26000光年的地球並不存在著被拉進去的危險。

未來的星系碰撞會導致黑洞體積變大，例如兩個黑洞的合併。但是碰撞不會無限期地發生，因為宇宙很大並且正在膨脹，因此黑洞不太可能會使整個宇宙坍縮。

在這張顯示了黑洞及其周圍圓盤的圖片中，氣體螺旋向黑洞方向正堆積在它的外面，造成了吸積盤堆積過度。對於這種情況，越小的黑洞越嚴重，所以X射線的發射時間也更短。圖片來源：NASA。

10.黑洞能變小嗎

可以。已故物理學家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出，儘管黑洞通過吞噬物質而變得更大，但它們也在慢慢地縮小，因為他們正在損失少量的能量，這些能量被稱之為“霍金輻射（Hawking radiation）”。

霍金輻射的產生是因為空白空間，或者真空，但不是真正的真空。 它實際上是一個不斷出現和存在粒子的海洋。霍金指出，如果黑洞附近出現這樣的一對粒子，那麼其中一個粒子就有可能在被摧毀之前被拉進黑洞。在這種情況下，它的夥伴將逃入太空之中。它的能量來自黑洞，所以在這個過程中黑洞正在慢慢地失去它的能量和品質。

理論上，黑洞最終會通過霍金輻射蒸發。但是對於我們所了解的大多數黑洞來說，它們蒸發的時間要比整個宇宙的年齡要長得多。即使是那些品質僅為太陽品質幾倍的黑洞，也會存在很長很長的一段時間。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. 七七 /Li熊貓- Charlene/歷下- nasa