黑洞聽起來像是直接從科幻小說中出來的：它們是密度非常之大物體,，以致于宇宙中沒有任何東西能逃脫它們的引力,。但在過去的幾十年里，天文學(xué)家們一直在不斷地積累證據(jù),，證明黑洞不僅是真實存在的,，而且事實上在宇宙中相當(dāng)普遍。

NGC 4258星系中有一個超大質(zhì)量的黑洞。這場銀河煙花表演發(fā)生在NGC 4258星系(也被稱為M106星系),，這是一個像銀河系一樣的螺旋星系。這個星系之所以出名,，是因為它擁有我們的星系沒有的,，兩個額外的在x射線下發(fā)光的螺旋臂(藍(lán)色的，NASA的Chandra x射線天文臺觀測),，還有可見光和射電光,。無線電數(shù)據(jù)顯示，NGC 4258星系中心的超大質(zhì)量黑洞正在產(chǎn)生強大的高能粒子噴流?，F(xiàn)在人們認(rèn)為幾乎所有的星系中心都有巨大的黑洞,，其質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬倍甚至數(shù)十億倍。

這些黑洞中有的是宇宙中最暴力的和最有活力的物體——活躍的星系核和類星體,它們擊落飛機,即使他們吸收周圍的氣體,而其他經(jīng)常舊像銀河系中心的黑洞,多安靜的喂食器,。這些野獸中的一些是宇宙中最暴力和最有活力的物體——活躍的星系核和類星體,，它們在吸入周圍氣體的同時也會噴出噴流；而另一些,，比如銀河系中心的黑洞,，則是相當(dāng)安靜的喂食者。星系也被認(rèn)為包含許多小黑洞的例子,，它們的質(zhì)量只比太陽的質(zhì)量大幾倍,。天文學(xué)家們通過觀察它們的伴星被撕碎時發(fā)出的光，已經(jīng)在銀河系中發(fā)現(xiàn)了其中的一小部分雙星系統(tǒng)中的恒星,。這些小黑洞中有幾個被稱為“微型黑洞”,，因為它們產(chǎn)生的微型噴流與它們的大黑洞相似。

黑洞理論

雖然黑洞的概念首次提出是在1783年,，但正是阿爾伯特·愛因斯坦1915年提出的廣義相對論為這一概念奠定了堅實的理論基礎(chǔ),。愛因斯坦證明了引力可以彎曲光的路徑，就像它可以彎曲任何其他移動物體的路徑一樣——我們在日常生活中沒有觀察到這種效應(yīng)的唯一原因是光的移動速度快,，而引力的作用弱,。當(dāng)觀測結(jié)果證實了這一點時，黑洞的想法就變得很明顯了,。如果你把足夠多的材料打包在一起,，它的引力應(yīng)該足夠強大，不僅能彎曲光的路徑,，還能阻止光的逃逸,，就像地球的引力足夠強大，能把比它慢得多的物體(如棒球)拉回它的表面一樣,。

黑洞的形成

來源：Alain Riazuelo

 黑洞模擬,。大麥哲倫星云前黑洞的模擬圖。黑洞史瓦西半徑和觀察者到它的距離之比是1:9,。值得注意的是被稱為愛因斯坦環(huán)的引力透鏡效應(yīng),，與實際的角度大小相比,，它產(chǎn)生了兩組相當(dāng)明亮、大但高度扭曲的云團(tuán)圖像,。常規(guī)黑洞被認(rèn)為是由重星形成的(也許是那些一開始質(zhì)量是太陽的20或25倍的恒星,，但這仍然是一個活躍的研究領(lǐng)域)。當(dāng)這些恒星在超新星爆炸中結(jié)束生命時,，它們的核心會坍塌,，重力會戰(zhàn)勝任何可能支撐恒星的力量。

 最終,，恒星坍縮得如此之大,，以至于它被包含在史瓦西半徑內(nèi)，也就是視界內(nèi),，在這個邊界內(nèi)光線無法逃逸,。此時，黑洞非常小;一個有太陽質(zhì)量的黑洞可以容納一個小鎮(zhèn),，而一個有地球質(zhì)量的黑洞可以容納你的手掌!史瓦西半徑內(nèi)的物質(zhì)將繼續(xù)無限地坍塌,，達(dá)到我們對物理定律的理解崩潰的程度。但是史瓦西半徑內(nèi)的任何信息都不能逃到外面的世界,。

 與此同時,，超大質(zhì)量黑洞以不同的方式形成——也許是由宇宙早期的許多小黑洞合并而成——并隨著它們從周圍環(huán)境吸收氣體而成長。這些天體的形成以及它們與庇護(hù)它們的星系之間的關(guān)系仍然是一個活躍的研究領(lǐng)域,。

觀測黑洞

大量的光

來源：ESO/L. Cal?ada/M.Kornmesser

 藝術(shù)家對恒星黑洞的印象,。結(jié)合歐洲南方天文臺的超大望遠(yuǎn)鏡和美國宇航局的錢德拉x射線望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了迄今為止從恒星黑洞中觀測到的最強大的一對噴射流,。這個黑洞釋放出一個巨大的熱氣泡,，直徑1000光年，是其他類似微類星體的兩倍,，威力是它們的幾十倍,。在這幅藝術(shù)家的印象中，恒星黑洞屬于一個雙星系統(tǒng),。我們不能直接觀察黑洞,，但我們確實看到了它們對周圍物質(zhì)的影響——氣體和塵埃在被吸進(jìn)黑洞或被噴流甩出去之前，會發(fā)出最后一口氣,。事實上,，黑洞在將入射物質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化為發(fā)射出的光方面效率極高。落入黑洞的氣體不會直接扎進(jìn)去,，就像地球不會扎進(jìn)太陽一樣,。相反，它試圖在黑洞的軌道上移動，形成所謂的吸積盤,。

 吸積盤中的物質(zhì)由于摩擦而失去能量,，慢慢地向內(nèi)螺旋運動——黑洞附近的巨大引力潮汐非常善于撕裂這種物質(zhì)，并將其加熱到高溫,。超大質(zhì)量黑洞的內(nèi)部圓盤達(dá)到了數(shù)千開氏度(類似于一顆熱恒星表面的溫度),，而較小的黑洞可以將它們的圓盤加熱到數(shù)百萬度，在那里它們發(fā)出光譜中的x射線,。

 因此，黑洞是周圍最明亮的物體之一,。類星體可以在可見宇宙的邊緣附近被探測到,，它們在那里用數(shù)萬億太陽的光發(fā)出光芒，而我們星系中的微類星體很容易比太陽亮數(shù)十萬倍,，盡管它們的質(zhì)量通常只有太陽的10倍,。

快速變化

來源: ESO/M. Kornmesser

 藝術(shù)家對遙遠(yuǎn)的類星體ULAS J1120+0641的印象。這幅藝術(shù)家的印象展示了ULAS J1120+0641,，一個由質(zhì)量是太陽20億倍的黑洞驅(qū)動的非常遙遠(yuǎn)的類星體可能的樣子,。這個類星體是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的類星體，被認(rèn)為是大爆炸后7.7億年的產(chǎn)物,。這個物體是迄今為止在早期宇宙中發(fā)現(xiàn)的最亮的物體,。由于黑洞很小，它們的亮度變化很快,。在吸積盤內(nèi)部進(jìn)行的復(fù)雜過程經(jīng)常是高度可變的,，這導(dǎo)致了光的發(fā)射量的快速變化。最小,、最活躍的黑洞——微類星體——可以在短短幾秒鐘內(nèi)將亮度提高一倍,，并顯示出在更快的時間尺度上存在變化的證據(jù)，在某些情況下,，這種變化可達(dá)每秒數(shù)百次,。

高能噴射

 黑洞將物質(zhì)吸向它們，但有些物質(zhì)會被吐出來,，而不是被吞噬掉,。許多黑洞噴射出的噴流以接近光速的速度遠(yuǎn)離吸積盤。這些噴流最引人注目的是在鄰近星系的中心(例如M87)觀測到的,，但也出現(xiàn)在微類星體中——以快速,、巨大的能量噴射和噴流，就好像有人拍下了一段類星體噴流的圖片,，然后按下了快進(jìn)鍵,。

 這些噴流形成的流程不是很清楚,但似乎需要磁場的存在使吸積盤的不穩(wěn)定性,使材料向上扔,以及快速旋轉(zhuǎn)的黑洞,可以養(yǎng)活他們的一些能量磁場和噴射材料本身。