作者：SHAO科學傳(chuan) 播團隊（中國科學院上海天文台）

文章來源於(yu) 科學大院公眾(zhong) 號（ID：kexuedayuan）

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黑洞是個(ge) 既陌生又熟悉的話題。它經常出現在科幻作品中，被描述成擁有著吸塵器般巨大吸引力、而且隱身的貪婪怪獸(shou) 。前幾年火遍大江南北的《星際穿越》展現了一個(ge) 穿著發光腰帶的黑洞——卡岡(gang) 圖雅。讓大家不禁疑惑，黑洞周圍原來也能發光？

卡岡(gang) 圖雅

昨天（北京時間2019年11月28日）淩晨，國際頂尖科學期刊《自然》在線發布了我國天文學家主導的一項重大發現。中國科學院國家天文台劉繼峰研究員、張昊彤研究員領導的研究團隊發現了一顆迄今為(wei) 止最大質量的恒星級黑洞。這個(ge) 重大進展恐怕也刷爆了大家的朋友圈。

那麽(me) ，黑洞究竟是什麽(me) ？黑洞是黑的嗎？我們(men) 如何“看”到黑洞呢？

一旦進了“洞”，誰都別想出來

最簡單的黑洞模型是不帶電也不轉動的黑洞。這個(ge) 模型源自1916年德國天文學家卡爾·史瓦西通過求解愛因斯坦引力場方程得到的一個(ge) 精確解，該模型也因此得名史瓦西黑洞模型。

史瓦西 （圖片來源：維基）

在這個(ge) 模型中，黑洞中心是奇點，奇點是個(ge) 時空被無限彎曲的區域，那裏密度無限大；黑洞的形成使時空由視界分成了兩(liang) 部分——視界內(nei) 和視界外。物質和光可以從(cong) 視界外進入視界內(nei) ，反之不行。這是因為(wei) 在黑洞的視界內(nei) ，引力很強，以至於(yu) 連光都無法逃離。如果連光也出不來，那裏麵就是黑的，這也是它得名“黑洞”的主要原因。

視界 （圖片來源：維基）

重要-視界半徑整體(ti) 效果 （圖片來源：維基）

視界就像是現實生活中的地平線。視界以內(nei) 就像是地平線以下，是我們(men) 無法看到的地方；視界以外就像是地平線以上。我們(men) 能看到視界之外，卻無法看到視界之內(nei) 。而視界的大小（視界麵到奇點的距離）主要取決(jue) 於(yu) 黑洞的一個(ge) 重要參數——質量。

致密天體(ti) 的質量範圍 （圖片來源：NASA）

要完整描述一個(ge) 黑洞，就隻需要知道三個(ge) 參量：質量，相當於(yu) 有多重；電荷，帶不帶電，帶正電還是負電，帶多少電；角動量，指黑洞是否轉動，轉動的能力和方向如何。知道了它們(men) 三個(ge) 參量，便知道了一切。這就是“黑洞無毛定理”。在中國，因為(wei) 有著著名的漫畫角色“三毛”，我們(men) 又稱無毛定理為(wei) 三毛定理。

在角動量和電荷參量相同的情況下，黑洞質量越大，視界就越大；質量越小，視界就越小。如果把我們(men) 的太陽壓縮到直徑3千米那麽(me) 大，太陽內(nei) 的物質將不斷收縮塌陷，直至被擠壓到奇點處，成為(wei) 一個(ge) 黑洞。

相較於(yu) 史瓦西模型，宇宙中的黑洞很可能是轉動的、有質量的黑洞，但大多黑洞是不帶電的。

根據質量，天文學家們(men) 將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級質量黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。恒星級質量黑洞，幾倍-幾百倍太陽質量；超大質量黑洞，幾百萬(wan) 倍太陽質量以上；而中等質量黑洞，質量位於(yu) 兩(liang) 者之間。

超大質量黑洞 （圖片製作：李兆聿，上海天文台，背景圖片來源：NASA和Misti Mountain Observatory）

目前普遍認為(wei) ，恒星級質量黑洞，是大質量恒星演化到晚期，發生超新星爆炸之後留下的殘骸。而超大質量黑洞，是更小質量的黑洞發生並合以及吞噬物質形成的。

要想“看到”黑洞，其實也沒那麽(me) 容易

首張黑洞照片M81（圖片來源：EHT）

北京時間2019年4月10日，全球多地協調召開發布會(hui) ，發布了人類的首張黑洞照片，提供了黑洞的首個(ge) 直接視覺證據。在這次拍照前，主要有三類代表性證據可以證明黑洞的存在：

1. 恒星、氣體(ti) 的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力，對周圍的恒星、氣體(ti) 會(hui) 產(chan) 生影響，可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。

第一次探測到的引力波信號GW150914 （圖片來源：LIGO）

2. 根據黑洞吸積物質（科學家們(men) 把這個(ge) 過程比喻成“吃東(dong) 西”）發出的光來判斷黑洞的存在。在黑洞強引力的作用下，周圍的氣體(ti) 向黑洞下落，在距離黑洞幾倍到幾萬(wan) 倍視界的地方形成一個(ge) 發光的腰帶——吸積盤。以超大質量黑洞為(wei) 例，如果把黑洞的吸積盤區域比作一個(ge) 黃豆，普通星係就相當於(yu) 一個(ge) 身高5萬(wan) 米的巨人，雖說黃豆般大小的活躍黑洞比巨人般的星係小千萬(wan) 倍，但每秒鍾發出的能量卻要強很多。這種小尺寸、大能量的性質使我們(men) 推斷它很可能是黑洞。

3. 通過探測到黑洞成長的過程探測黑洞。LIGO探測的五次引力波都對應了恒星級質量黑洞的並合事件，見證了更小的黑洞借助並合成長為(wei) 更大黑洞的過程。這類引力波的發現，也是我們(men) 推斷黑洞存在的證據之一。

探索黑洞，也是為(wei) 了更好地探索宇宙

天文學家們(men) 發現，至少在近鄰星係中，黑洞質量越大，它所居住的星係也具有更大質量的核球，核球中恒星的速度彌散也更大。這一現象預示了黑洞和星係像是約好一般進行協同演化。通過觀測數據，再綜合理論研究、計算機模擬，就能幫助回答黑洞的成長問題、黑洞與(yu) 宿主星係的關(guan) 係。

黑洞質量和寄主星係核球質量之間的關(guan) 係 （圖片來源：網絡）

宇宙早期的黑洞發出的光要經過漫漫長路，穿越星（係）際物質時部分會(hui) 被吸收。因此我們(men) 得到的光譜中有著眾(zhong) 多的吸收線，這些吸收線形成星際物質留給我們(men) 的“腳印”，為(wei) 我們(men) 研究宇宙中物質分布和整體(ti) 結構提供了前所未有的幫助。

此外，還有一係列問題等著解決(jue) ：黑洞種子是如何形成的，它具有多大的質量？宇宙早期黑洞如何吞噬周圍的物質？黑洞和它的寄主星係在宇宙早期為(wei) 什麽(me) 不是協同演化的？這些未知的謎團，均吸引著我們(men) 心向黑洞。

“探索天文”係列課是什麽(me) ？

它是由中國科學院上海天文台佘山科普教育基地出品的一套公益性天文課程。以天文學中大眾(zhong) 關(guan) 注度最高、最有趣的話題為(wei) 主題，讓專(zhuan) 業(ye) 的一線天文科研人員和科普專(zhuan) 家從(cong) 複雜的星空体育官网入口网站點中選取最有代表性的內(nei) 容，分別從(cong) 天文望遠鏡、月球、太陽係、星係動物園、黑洞、星座這六個(ge) 方麵，多角度地、趣味性和星空体育官网入口网站性兼有地介紹天文學中的星空体育官网入口网站和研究方法等。

拓展閱讀：

約翰-皮爾•盧米涅.黑洞[M].湖南：湖南科學技術出版社,2002

李宗偉(wei) ，肖興(xing) 華.天體(ti) 物理學[M].北京：高等教育出版社,2000

瑪西亞(ya) •巴楚沙.黑洞簡史[M].湖南：湖南科學技術出版社,2017

講師簡介：

左文文，天體(ti) 物理博士，上海天文台副研究員，從(cong) 事科研和科學傳(chuan) 播工作。研究方向主要包括類星體(ti) 的光變、高紅移類星體(ti) 的黑洞質量測量、黑洞與(yu) 寄主星係的共動演化、科學傳(chuan) 播。


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