《NASA自然百科：認(rèn)識宇宙》

NASA科學(xué)家寫給大眾的宇宙通識課！

深奧宇宙的極簡說明書！

從地球、太陽系、銀河系，到宇宙深處，跨越137億年的宇宙旅行指南！

NASA哈勃、錢德拉和斯皮策三大太空望遠(yuǎn)鏡220幅全波段照片！

哈佛大學(xué)天文學(xué)教授阿莉莎·古德曼傾情推薦！

2019年4月，包括中國等世界各國科學(xué)家和機構(gòu)通力合作，終于獲得了首張黑洞照片。黑洞是一個不容易理解的概念。黑洞究竟是什么？它既然看不見，連光都無法逃脫，人類又怎么能給它拍照呢？專事于科普工作的NASA科學(xué)家金伯利·K.阿坎德在她的新作《NASA自然百科：認(rèn)識宇宙》中，對黑洞給予了非常通俗易懂的全面解釋。

要了解黑洞，先從恒星開始。恒星消亡時才產(chǎn)生黑泂。在宇宙中，當(dāng)巨大的氣體和塵埃云團坍塌時，其中央形成一個熱物質(zhì)內(nèi)核，恒星由此誕生，就像我們熟知的太陽，這個誕生過程相當(dāng)漫長。沒有進入恒星核心的其他材料可能會變成行星、小行星和其他碎屑。我們的地球就是一顆行星。

圖注：這幅由藝術(shù)家創(chuàng)作的插圖展示了一顆巨大的幼年恒星被布滿塵埃的環(huán)緊密環(huán)繞的景象。

當(dāng)這個為期數(shù)百萬年的誕生過程結(jié)束時，恒星就開始通過一種名為核聚變的過程燃燒，或者說發(fā)光。原子的核心被稱為原子核。核聚變是兩個原子的核心相聚或融合的過程。發(fā)生核聚變時，兩個原子核變成一個更重的原子核。與此同時，大量的能量會被釋放出來。

正是這個原子核碰撞并釋放能量的過程，為恒星提供了能量。當(dāng)我們說一顆恒星在“燃燒”，指的就是這件事。在恒星整個生命的大部分時間里，這種燃燒過程涉及氫——宇宙中最輕也是最豐富的元素——聚變成氦的過程。我們的太陽現(xiàn)在就處于這個階段。

它當(dāng)一顆恒星缺少用來在核心進行核聚變的氫時（我們的太陽在大約50億年內(nèi)都不會出現(xiàn)這種情況），事情就變得更有意思了。隨著核心的氫燃燒殆盡，那里不再產(chǎn)生能量。這會導(dǎo)致核心的緩慢坍塌和升溫。

然而，核聚變的過程依然在持續(xù)，只是轉(zhuǎn)移到了仍然還有氫的部位。這意味著核聚變開始在核心之外富含氫的氣體層中發(fā)生，且在這個過程中為恒星提供能量。這時恒星進入天文學(xué)家所說的“紅巨星”階段。

圖注：這張由藝術(shù)家創(chuàng)作的插圖展示了一顆紅巨星的特寫，它被一個充滿塵埃和氣體的圓盤圍繞著，頂部和底部還有一對噴流。

當(dāng)這一層的氫耗盡之后，紅巨星中的核聚變過程開始將新創(chuàng)造出的更重的氦原子加入進來。隨著核聚變過程沿著元素周期表不斷前進，這些發(fā)生融合的氦原子變成了更重的元素，直到產(chǎn)生碳。

如果恒星的大小不足以產(chǎn)生融化碳的高溫，恒星就會卡在這里。原子無法被聚變成新的原子，碳和氧開始在核心形成和聚集。隨著恒星的核心吸引越來越多的物質(zhì)，它開始升溫。這會導(dǎo)致恒星的外層向外膨脹。

紅巨星階段并不總是一個平靜和連續(xù)的過程。相反，隨著核心中的核聚變開始像耗盡汽油的汽車一樣噴濺，這顆恒星就會開始不均勻地向外噴射物質(zhì)。這一階段的恒星圖像被稱為“行星狀星云”。

圖注：螞蟻星云（Ant Nebula）擁有行星狀星云典型的雙極形狀。一顆類似太陽的恒星將自己的物質(zhì)從外層噴射出去，直到核心暴露出來，釋放出照亮氣體的光。這張圖片結(jié)合了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的可見光數(shù)據(jù)（綠色和紅色）以及錢德拉X射線天文臺的X射線數(shù)據(jù)（藍色）。

當(dāng)太陽進入這個階段時——距離現(xiàn)在還有幾十億年，所以不要擔(dān)心它會膨脹。這里所講的膨脹不是膨脹一點，而是膨脹得非常厲害。實際上，天文學(xué)家推測當(dāng)這件事發(fā)生時，太陽會向外膨脹得非常厲害，以至于吞沒太陽系的內(nèi)行星：水星、金星，甚至地球。

然后，我們的太陽和它的同類恒星將繼續(xù)以紅巨星的狀態(tài)存在，直到再也沒有任何可以釋放的外層物質(zhì)。留下來的將是一個密度很大的小型內(nèi)核，天文學(xué)家稱之為白矮星。由于沒有可以用于燃燒的燃料，白矮星只能漂浮在太空中，散發(fā)著剩余的熱量。這個過程會持續(xù)幾十億年，然后在某個時刻，這顆恒星最終會從一塊滾燙的余燼變得冰冷黑暗。

圖注：這張插圖展示了一顆恒星在一生中可能的變化路徑，從一顆類似太陽的恒星（左下）變成紅巨星（中上）、行星狀星云（最右），最終成為一顆白矮星。

對于像我們的太陽一樣或者更小的恒星，變成白矮星的緩慢過程是它們漸進而平靜的命運，但是對于那些更大的恒星呢？簡而言之，它們不會安靜地走向死亡。那是因為它們的核聚變并沒有因碳核聚變而停止，它們會繼續(xù)這個過程，制造出越來越重的元素，直到鐵元素被制造出來。

當(dāng)這顆恒星開始將鐵聚變在一起，它就遇到了大麻煩。這是因為當(dāng)兩個鐵原子結(jié)合時，它們實際上吸收了能量，而不是像其他原子那樣釋放能量。這會引發(fā)失控的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致恒星冷卻，壓力陡然下降。這最終將導(dǎo)致整顆恒星的戲劇性坍塌。

當(dāng)這顆恒星坍塌到核心上時，它會反彈，將恒星的外層物質(zhì)全部拋射到太空中去。天文學(xué)家將這種爆發(fā)稱為超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)釋放出的能量如此之大，以至于它們的光芒可以蓋過整個星系?？紤]到一個星系含有數(shù)十億顆恒星，這就讓人覺得更了不起了。

當(dāng)這些大質(zhì)量恒星經(jīng)歷超新星爆發(fā)時，仍然會留下恒星曾經(jīng)的核心。然而，這個核心的密度現(xiàn)在更大了，因為核心的坍塌一直在繼續(xù)，直到所有電子和中子都被擠在一起，就像一群人正急于穿過出口卻無處可去一樣。這個被壓縮的天體被科學(xué)家稱為中子星，它的密度是如此之大，一湯匙中子星的重量就超過10億噸。

圖注：IC443是一個超新星遺跡，里面鑲嵌著一顆中子星（圖片中下部較亮的藍色斑點）。這張合成圖片中有三種不同類型的光，包括X射線（藍色）、無線電波（綠色）和可見光（紅色）。

但是當(dāng)一顆恒星的體積極為龐大時，它的命運會比壯麗的超新星爆發(fā)并創(chuàng)造出一顆中子星更加離奇。最大的恒星會繼續(xù)坍塌，直至形成一個黑洞。當(dāng)一顆恒星坍塌成黑洞，沒有任何東西能夠從它身邊逃脫——甚至光也不能。我們之所以能了解這些極端天體的存在，是因為我們看到了黑洞周圍的物體以及黑洞通過它強大的引力對周圍環(huán)境所產(chǎn)生的影響。

圖注：數(shù)百年來，科學(xué)家們一直推測，某些恒星可能會坍塌變暗，它們的引力會變得極為強大，以至于沒有任何東西，就連光都不能從它們身邊逃脫。這些黑暗的恒星被稱為黑洞，如這幅圖所示。由于任何類型的光都無法從黑洞逃脫，我們無法直接觀察到它們的樣子。但是有一種方法可以找到它們，那就是使用能夠探測X射線的望遠(yuǎn)鏡，尋找從旋轉(zhuǎn)向黑洞的熾熱氣旋中所散發(fā)出的高能輻射。

在很長一段時間里，黑洞一直被當(dāng)作科幻小說的噱頭，但是天文學(xué)家有確鑿的證據(jù)表明它們確實存在。實際上，我們已經(jīng)了解到許多關(guān)于黑洞的情況。黑洞在吞噬周圍物質(zhì)的時候，會形成一個旋轉(zhuǎn)的吸積盤，旋向黑洞的大量物質(zhì)會猛烈撞擊摩擦，散發(fā)出巨大的能量，這種能量電波可以為地球上的射電望遠(yuǎn)鏡所捕捉。

但單個射電望遠(yuǎn)鏡靈敏度和分辨率非常有限，很難探測。此次國際合作，就是通過全球多個射電天文臺的協(xié)作，構(gòu)建一個口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，使其功能提高到足以拍攝銀河系中心的黑洞。

圖注：這張圖片描繪了一個由大質(zhì)量恒星坍塌后所形成的恒星質(zhì)量黑洞。這個黑洞將一顆大質(zhì)量藍色伴星中的物質(zhì)拽向自己。這些物質(zhì)形成了一個圓盤（用紅色和橙色表示），圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，然后落入黑洞，或者以強勁噴流的形式重新定向，從黑洞噴發(fā)出去。

實際上，黑洞的確是看不見的，但我們可以通過它“吃東西”時發(fā)出的光，來獲得它的相貌。此次國際合作，收集的黑洞信息就有位于銀河系中心的“人馬座A*”，這個黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于太陽的400萬倍。人馬座 A* 很特別，它屬于我們的家園星系銀河系，距離我們這么近，與任何同類型的黑洞相比，我們可以更容易、更詳細(xì)地研究它。它將幫助解答人類對宇宙的疑惑，打開探索宇宙的新世界。