你可能聽人說過，“我的桌子變成了一個(gè)黑洞,！”你可能在電視上看過天文學(xué)節(jié)目,，或者在雜志上讀過關(guān)于黑洞的文章。自從1915年愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了這些奇異的物體之后,，我們就對(duì)它們產(chǎn)生了濃厚的興趣,。

黑洞是什么？他們真的存在嗎,？我們?cè)鯓硬拍苷业剿鼈兡?？在本文中，我們將研究黑洞并回答所有這些問題,！

黑洞是什么,？

當(dāng)一顆大質(zhì)量的恒星死去時(shí)，剩下的就是黑洞,。

你如果知道恒星是如何工作的,，那么你肯定知道明亮的恒星是一個(gè)巨大的，令人驚異的聚變反應(yīng)堆,。因?yàn)楹阈鞘侨绱司薮蟛⒂蓺怏w組成,，所以有一個(gè)強(qiáng)烈的引力場(chǎng)總是試圖坍縮恒星。在核心發(fā)生的聚變反應(yīng)就像一顆巨大的聚變炸彈,，試圖引爆恒星,。引力和爆炸力之間的平衡決定了恒星的大小。

隨著恒星的死亡,，核聚變反應(yīng)停止,，因?yàn)檫@些反應(yīng)的燃料被燒掉了。與此同時(shí),，恒星的引力將物質(zhì)吸入并壓縮核心,。當(dāng)核心壓縮時(shí)，它會(huì)升溫,，最終產(chǎn)生超新星爆炸,，物質(zhì)和輻射會(huì)爆炸到太空中。剩下的是高度壓縮的,、極其巨大的內(nèi)核,。內(nèi)核的引力非常大，連光都無法逃脫,。

這個(gè)物體現(xiàn)在就是一個(gè)黑洞,，它會(huì)從我們視野中消失。由于內(nèi)核的引力非常強(qiáng)大,，所以就會(huì)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中下沉,，在時(shí)空中形成一個(gè)洞——這就是為什么這個(gè)物體被稱為黑洞,。

核心變成了黑洞的中心部分，稱為奇異點(diǎn),。這個(gè)洞的開口叫做視界,。

你可以把視界想象成黑洞的入口。一旦某物越過視界,，它就永遠(yuǎn)消失了。一旦進(jìn)入視界,，所有的“事件”(時(shí)空中的點(diǎn))停止,，沒有任何東西(甚至是光)可以逃脫。視界的半徑被稱為史瓦西半徑,，以天文學(xué)家卡爾·史瓦西命名,，他的工作導(dǎo)致了黑洞理論。

知識(shí)鏈接：光無法逃離的物體(如黑洞)的概念最初是由皮埃爾·西蒙·拉普拉斯在1795年提出的,。根據(jù)牛頓的引力理論,，拉普拉斯計(jì)算出，如果一個(gè)物體被壓縮到足夠小的半徑內(nèi),，那么這個(gè)物體的逃逸速度將比光速還快,。

黑洞的類型有哪些？

克爾黑洞結(jié)構(gòu)圖：紅色是事件視界,，而蛋形區(qū)域則是能層（旋轉(zhuǎn)黑洞的視界與無限紅移面之間的區(qū)域,，進(jìn)入其中的物質(zhì)逃出時(shí)可以獲得能量 ）。

黑洞有兩種類型：

• 史瓦西黑洞

  ——非旋轉(zhuǎn)黑洞

• 克爾黑洞

  ——旋轉(zhuǎn)黑洞

史瓦西黑洞是最簡(jiǎn)單的黑洞,，核心不旋轉(zhuǎn),。這種類型的黑洞只有一個(gè)奇異點(diǎn)和一個(gè)視界。

克爾黑洞可能是自然界中最常見的形式,，它之所以旋轉(zhuǎn)是因?yàn)樾纬伤暮阈鞘切D(zhuǎn)的,。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的恒星坍縮時(shí)，核心繼續(xù)旋轉(zhuǎn),，并將其帶入黑洞(角動(dòng)量守恒),。克爾黑洞有以下幾個(gè)部分：

• 奇點(diǎn)

  ——坍塌的巖心,。

• 視界

  ——洞的開口

• 能層

  ——視界周圍扭曲空間的蛋形區(qū)域（扭曲是由黑洞旋轉(zhuǎn)引起的,，黑洞旋轉(zhuǎn)會(huì)“拖曳”周圍的空間）。

• 靜力極限

  ——二球體與正?？臻g之間的邊界,。

如果一個(gè)物體進(jìn)入能層，它仍然可以通過從黑洞的旋轉(zhuǎn)中獲得能量而從黑洞中噴射出來,。

然而,，如果一個(gè)物體穿過視界,，它就會(huì)被吸入黑洞而永遠(yuǎn)無法逃脫。黑洞內(nèi)部發(fā)生了什么是未知的,；即使我們目前的物理理論也不適用于奇點(diǎn)附近,。

雖然我們看不到黑洞，但它確實(shí)有三種屬性可以或可以測(cè)量：

• 質(zhì)量

• 電荷

• 旋轉(zhuǎn)速度(角動(dòng)量)

到目前為止,，我們只能通過其他物體在黑洞周圍的運(yùn)動(dòng)來可靠地測(cè)量黑洞的質(zhì)量,。如果一個(gè)黑洞有一個(gè)伴星(另一顆恒星或物質(zhì)的圓盤)，它就有可能測(cè)量這個(gè)看不見的黑洞周圍物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)半徑或軌道速度,。黑洞的質(zhì)量可以用開普勒修正的行星運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的第三定律來計(jì)算,。

我們?nèi)绾翁綔y(cè)黑洞

雖然我們看不到黑洞，但我們可以通過測(cè)量黑洞對(duì)周圍物體的影響來探測(cè)或猜測(cè)黑洞的存在,?？梢允褂靡韵滦?yīng)：

• 來自黑洞或螺旋進(jìn)入核心的物體的質(zhì)量估計(jì)

• 引力透鏡效應(yīng)

• 發(fā)出輻射

質(zhì)量

許多黑洞周圍都有物體，通過觀察物體的行為,，你可以發(fā)現(xiàn)黑洞的存在,。然后，你利用對(duì)可疑黑洞周圍物體運(yùn)動(dòng)的測(cè)量來計(jì)算黑洞的質(zhì)量,。

你要找的是一顆恒星或一盤氣體,，它的行為就好像附近有一個(gè)巨大的質(zhì)量。例如,，如果一個(gè)可見的恒星或盤狀的氣體“搖擺不定”運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn),，沒有明顯導(dǎo)致這種運(yùn)動(dòng)的原因或者有看不見的東西施加了影響，似乎是由一個(gè)物體的質(zhì)量大于三個(gè)太陽質(zhì)量中子星(太大),，那么有可能是黑洞是導(dǎo)致運(yùn)動(dòng),。然后通過觀察黑洞對(duì)可見物體的影響來估計(jì)黑洞的質(zhì)量。

例如,，在NGC 4261星系的核心,，有一個(gè)棕色的螺旋狀圓盤正在旋轉(zhuǎn)。這個(gè)圓盤和我們的太陽系差不多大,，但重量是太陽的12億倍,。對(duì)于一個(gè)圓盤來說，如此巨大的質(zhì)量可能表明圓盤中存在一個(gè)黑洞,。

引力透鏡

愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言重力可以彎曲空間,。這一點(diǎn)后來在日食期間得到證實(shí)，當(dāng)時(shí)是在日食發(fā)生前,、期間和之后測(cè)量恒星的位置,。由于太陽的引力使恒星發(fā)出的光彎曲，所以恒星的位置發(fā)生了變化,。因此,，一個(gè)在地球和一個(gè)遙遠(yuǎn)的物體之間有著巨大重力的物體(像一個(gè)星系或黑洞)可以將來自遙遠(yuǎn)物體的光彎曲成一個(gè)焦點(diǎn),，就像透鏡一樣。這種效果可以在下面的圖片中看到,。

在上圖中,，MACHO-96-BL5的亮度在重力透鏡從它和地球之間經(jīng)過時(shí)開始變亮。當(dāng)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀察這個(gè)物體時(shí),，它看到兩個(gè)物體的圖像靠在一起,，這表明存在引力透鏡效應(yīng)。中間的物體是看不見的,。因此,，我們得出的結(jié)論是，在地球和物體之間存在著一個(gè)黑洞,。

發(fā)出輻射

當(dāng)物質(zhì)從伴星落入黑洞時(shí),，它會(huì)被加熱到數(shù)百萬開爾文并加速,。這些過熱的材料發(fā)出x射線，x射線望遠(yuǎn)鏡可以探測(cè)到這些x射線,，如錢德拉x射線軌道天文臺(tái),。

天鵝座X-1是一個(gè)強(qiáng)x射線源，被認(rèn)為是一個(gè)黑洞的好候選者,。如上圖所示,，來自伴星HDE 226868的恒星風(fēng)將物質(zhì)吹到黑洞周圍的吸積盤上。當(dāng)這種物質(zhì)落入黑洞時(shí),，它會(huì)釋放x射線,，如圖所示:

除了x射線，黑洞還可以高速噴射物質(zhì)形成噴射流,。許多星系都被這樣的噴流觀測(cè)到,。目前，人們認(rèn)為這些星系的中心有超大質(zhì)量的黑洞(數(shù)十億的太陽質(zhì)量)產(chǎn)生噴射和強(qiáng)烈的無線電發(fā)射,。一個(gè)這樣的例子是M87星系,，如下所示:

左邊和下面的圖像是基于地面的M87星系中心的無線光鏡圖像,。右邊的圖像是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的可見圖像,。注意來自M87的物質(zhì)噴射。

重要的是要記住,，黑洞不是宇宙真空吸塵器——它們不會(huì)吞噬一切,。因此，雖然我們看不到黑洞,，但有間接證據(jù)表明它們存在,。它們與時(shí)間旅行和蟲洞有關(guān),，在宇宙中仍然是迷人的物體。