時(shí)空中的無底深淵、深藏不露的引力陷阱……在史蒂芬·霍金的科學(xué)名著《時(shí)間簡(jiǎn)史》中，黑洞是宇宙中最為神秘的天體之一——宇宙“引力怪獸”黑洞具有強(qiáng)大的吸力，遠(yuǎn)看就像一個(gè)一望無盡的黑色深淵，會(huì)將周圍所有的東西都吸引進(jìn)去，甚至能夠吞噬行星，撕碎太陽(yáng)系。連光都不能在黑洞處存在，一照射進(jìn)去就會(huì)瞬間被吞沒只有一片漆黑。

近日，一個(gè)爆炸性的重大消息轟動(dòng)了全球天文界——在全球多地同步發(fā)布了人類首次拍攝的黑洞照片引發(fā)巨大熱議。

前世今生，“黑洞”研究簡(jiǎn)史

黑洞研究一直是一個(gè)熱門研究領(lǐng)域，人類關(guān)注黑洞的歷史可以追溯到18世紀(jì)末。在萬有引力定律提出約百年后，英國(guó)科學(xué)家約翰·米歇爾在1783年首次提出，可能存在引力強(qiáng)大到連光線也無法逃離的“暗星”。

1795年，法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯在通過計(jì)算得出：如果天體的質(zhì)量非常大時(shí)，根據(jù)牛頓萬有引力定律，其引力將極其大，以至于光也不能從這樣的天體上射到外部空間去。外部的人就看不到它，則該天體是“黑的”。

1915年，愛因斯坦提出真正“預(yù)見”黑洞的廣義相對(duì)論，預(yù)言存在黑洞這樣一種天體，他認(rèn)為，“黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，我們預(yù)期黑洞會(huì)形成一個(gè)類似陰影的黑暗區(qū)域”。

1916年，德國(guó)天文學(xué)家史瓦西發(fā)現(xiàn)所有的星體都存在一個(gè)史瓦西半徑，如果星體的實(shí)際半徑比它的史瓦西半徑要小，那么它就會(huì)變成一個(gè)黑洞。比如，太陽(yáng)的史瓦西半徑是3000米。

1939年，奧本海默和他的研究生斯奈德用廣義相對(duì)論分析了氣體球塌縮后得出結(jié)論，認(rèn)為在宇宙中是有“暗星”存在的，但“黑洞”一詞作為物理學(xué)名詞是由美國(guó)天體物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒1967年正式提出的，此后，科學(xué)界不斷收獲關(guān)于黑洞的研究成果。在此之前，人們是用暗星、凍結(jié)星、坍縮星這類名詞來稱呼“黑洞”的。

1970年，美國(guó)的“自由”號(hào)人造衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)位于天鵝座X-1上一個(gè)比太陽(yáng)重30多倍的巨大星球，被一個(gè)重約10個(gè)太陽(yáng)的看不見的物體牽引著。天文學(xué)家一致認(rèn)為這個(gè)物體就是黑洞，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞。

1974年，英國(guó)物理學(xué)家霍金證明黑洞具有與其溫度相對(duì)應(yīng)的熱輻射，稱為“黑洞輻射”。黑洞的質(zhì)量越大，溫度越低，輻射過程就越慢。

2019年4月10日，人類首張黑洞照片“沖洗”完成，這一神秘天體終于被人類看到了真容——數(shù)百名科學(xué)家參與合作的“事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）”項(xiàng)目發(fā)布了人類拍到的首張黑洞照片。該黑洞圖像揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的65億倍。

近年來隨著人們對(duì)宇宙發(fā)展研究的深入，當(dāng)質(zhì)量較小的恒星演化形成的最終產(chǎn)物——白矮星、中子星已被證實(shí)在宇宙中存在時(shí)。那么大質(zhì)量的恒星在演化過程中形成的最終產(chǎn)物——黑洞在宇宙中也應(yīng)該存在，但因?yàn)槿魏挝镔|(zhì)和光進(jìn)入黑洞，就再也無法從其內(nèi)逃脫出來，致使觀測(cè)者無法通過實(shí)驗(yàn)直接觀看到它。

既然黑洞存在，則它的對(duì)稱物——白洞也就應(yīng)該存在，銀河系大約有1千億顆可見恒星，在宇宙中存在著更多的恒星，其中許多已經(jīng)死亡，研究黑洞、白洞對(duì)解決宇宙中大質(zhì)量恒星的最終歸宿問題有著重要意義。

二、恒星的演化與黑洞的形成

黑洞是大型恒星衍變到后期的結(jié)果，經(jīng)過膨脹、坍縮，其內(nèi)部壓力變得極為龐大，密度可以達(dá)到每立方厘米的質(zhì)量幾十億噸，而且?guī)缀跛匈|(zhì)量都集中在最中心的“奇點(diǎn)”處。這樣龐大的密度導(dǎo)致在黑洞周圍的一定區(qū)域內(nèi)，連光也無法逃逸出去，這個(gè)邊界稱為“事件視界”。而沒有光，人類也就無法看見黑洞。

人類要認(rèn)識(shí)恒星級(jí)黑洞的形成過程，就應(yīng)先認(rèn)識(shí)恒星的演化過程，在恒星的演化過程中，恒星通過內(nèi)部氫→氦聚變放出大量的能量，形成主序星，由于氫、氦燃料不斷燃燒，在演化晚期，氫、氦燃料消耗完后，恒星會(huì)在其自身引力的作用下不斷收縮，其核心密度越來越大，引力越來越強(qiáng)，最終變成為高度壓縮狀態(tài)。

按恒星質(zhì)量的大小，最終坍縮成白矮星、中子星或黑洞。自身質(zhì)量較小的恒星會(huì)演化形成白矮星、中子星，自身質(zhì)量較大的恒星會(huì)形成黑洞，所以恒星最終是形成黑洞，還是白矮星或中子星，取決于恒星質(zhì)量的大小，

當(dāng)恒星的質(zhì)量小于或等于1.2～1.4倍的太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)，在恒星中產(chǎn)生的費(fèi)米電子簡(jiǎn)并壓力能夠與恒星的自身引力抗衡，這樣就阻止了恒星的進(jìn)一步坍縮，并最終演化成白矮星。

質(zhì)量再大一些的恒星，即質(zhì)量大于1.2～1.4倍太陽(yáng)的質(zhì)量，由于恒星自身質(zhì)量越大，其引力也越大，恒星中產(chǎn)生的費(fèi)米電子簡(jiǎn)并壓力已不能與恒星的自身引力抗衡了，從而引起恒星的進(jìn)一步坍縮，并使超新星爆發(fā)向外噴發(fā)大量物質(zhì)和輻射，剩余的密度極高的核將電子吸入原子核，并與核中的質(zhì)子結(jié)合成中子，此時(shí)恒星的殘余物質(zhì)就主要由中子組成，而恒星中由中子產(chǎn)生的中子簡(jiǎn)并壓遠(yuǎn)大于費(fèi)米電子簡(jiǎn)并壓，這時(shí)中子簡(jiǎn)并壓力又能夠平衡恒星自身的引力收縮，這樣恒星就演化成密度為幾億t／cm3的中子星。

當(dāng)恒星的質(zhì)量大于3倍的太陽(yáng)的質(zhì)量時(shí)，因恒星自身引力的進(jìn)一步加大，導(dǎo)致中子簡(jiǎn)并壓力不能與引力抗衡，這時(shí)在已知的物理學(xué)范疇內(nèi)已找不到一種力可以和坍縮引力抗衡，收縮將不可阻擋，星體將在不到1s內(nèi)迅速坍縮到施瓦西半徑之內(nèi)，這時(shí)恒星就演化成體積無限小而密度“無限大”的奇態(tài)星體。其周圍存在著極其強(qiáng)的引力場(chǎng)，致使時(shí)空極度彎曲、時(shí)間無限膨脹而形成一個(gè)黑洞。

科學(xué)家認(rèn)為，并不是質(zhì)量超過3倍太陽(yáng)質(zhì)量的主序星就能夠演化成黑洞，據(jù)估計(jì)只有當(dāng)主序星的質(zhì)量達(dá)到20倍太陽(yáng)的質(zhì)量以上才能演化成黑洞，因?yàn)橹餍蛐窃谛纬珊诙磿r(shí)也有激烈的超新星爆發(fā)，最后剩余的致密核心殘骸才是形成黑洞的物質(zhì)。

目前關(guān)于超大質(zhì)量黑洞形成原因的說法有很多，比如形成于大量恒星致密聚集的一個(gè)區(qū)域，或由一些恒星形成的小黑洞融合而成等等，其具體形成原因還有待進(jìn)一步探索。

三、“宇宙奇葩”，黑洞與白洞到底有多大

那么黑洞有多大呢？根據(jù)施瓦西黑洞半徑公式RS=2GM/C2(RS為史瓦西半徑，G是萬有引力常數(shù)，M是天體的質(zhì)量，C是光速。用這個(gè)公式，對(duì)于一個(gè)與地球質(zhì)量相等的天體，其史瓦西半徑僅有9mm，而太陽(yáng)的史瓦西半徑約為3km。在公式中，G和C都是常數(shù)，RS與質(zhì)量成正比，而且和天體的組成元素也毫無關(guān)系，從這樣的關(guān)系可以看出，質(zhì)量增加一倍，半徑增加一倍，顯而易見，這里出現(xiàn)了幾何問題。對(duì)于一個(gè)球體來講，半徑增加一倍，體積增加7倍。這樣的變化使視界的重力場(chǎng)越來越小，這樣的結(jié)果不能不讓人感到困惑。就普通的情況而言，兩個(gè)質(zhì)量相同的鐵球相加，質(zhì)量增加了一倍，體積也只能增加一倍。就兩個(gè)質(zhì)量相同的黑洞而言，把它們加在一起質(zhì)量和體積也只能增加一倍?？梢娦『诙吹拿芏却蟮貌豢上胂螅?0億t的小黑洞才達(dá)到質(zhì)子的大小，地球質(zhì)量的黑洞其半徑還不到1cm。

目前，天文學(xué)家們根據(jù)質(zhì)量的不同將黑洞分類成：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞（質(zhì)量從幾倍到幾百倍太陽(yáng)質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞(質(zhì)量大于幾百萬倍太陽(yáng)質(zhì)量）、介于恒星級(jí)和超大質(zhì)量黑洞之間的中等質(zhì)量黑洞三大類。按黑洞無毛定律可分為四類：角動(dòng)量和電荷二者都等于零，而質(zhì)量不為零的黑洞是施瓦西黑洞；角動(dòng)量等于零，電荷和質(zhì)量二者都不為零的黑洞稱為Reissner-Nordstrom黑洞；電荷等于零，角動(dòng)量和質(zhì)量二者都不為零的黑洞為克爾黑洞；角動(dòng)量、電荷、質(zhì)量三者都不為零的黑洞稱為克爾——紐曼黑洞。

不過，黑洞吞噬周圍氣體是有節(jié)制的。黑洞在吸積吞噬周圍物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)下落釋放的引力能會(huì)轉(zhuǎn)化為輻射，當(dāng)吞食的物質(zhì)累積到一定程度，向外的輻射壓會(huì)阻止物質(zhì)的進(jìn)一步下落。當(dāng)天體作用于一個(gè)粒子上的引力和輻射壓剛好平衡時(shí)，對(duì)應(yīng)的臨界吸積率稱作愛丁頓吸積率。一般情況下，愛丁頓吸積率是黑洞吸積物質(zhì)的最大效率。

觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在宇宙早期，比如宇宙大爆炸之后10億年內(nèi)，就存在質(zhì)量為百億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。這令人疑惑.如果說它是從一個(gè)嬰兒（種子）黑洞長(zhǎng)大的，這個(gè)嬰兒黑洞得多大？嬰兒黑洞如何吞噬周圍氣體塵埃食物，才能長(zhǎng)成實(shí)際觀測(cè)到的大胖子呢？

最自然的一類種子黑洞要尋根于宇宙大爆炸后幾億年左右形成的第一代星系。它們中的大質(zhì)量恒星快速演化到晚期，發(fā)生超新星爆炸，核心殘留的天體便是質(zhì)里約幾百倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。但如果假設(shè)種子黑洞是這類恒星級(jí)質(zhì)量黑洞，鑒于質(zhì)里增長(zhǎng)的速度受愛丁頓吸積率限制，那么即使種子黑洞一直以最快速度成長(zhǎng)，質(zhì)置增長(zhǎng)到十億、百億倍太陽(yáng)質(zhì)量所需要的時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的年齡，這就帶來了所謂的黑洞成長(zhǎng)時(shí)間危機(jī)問題。

白洞是黑洞的對(duì)稱物。根據(jù)對(duì)稱性原理，白洞實(shí)質(zhì)上就是黑洞的時(shí)間反演，有黑洞解就應(yīng)有白洞解，無論多少物質(zhì)一但掉入黑洞就消失了，比太陽(yáng)大的質(zhì)量掉入一個(gè)“點(diǎn)”中不見了；與黑洞相反，白洞不斷向外噴射物質(zhì)和向外輻射，據(jù)推算白洞只能產(chǎn)生于宇宙的初始大爆炸，在用現(xiàn)有的理論無法描述的超密狀態(tài)中才可能產(chǎn)生白洞。

1974年，霍金提出黑洞具有量子性質(zhì)的溫度輻射，能量可以通過霍金輻射從黑洞中傳出，則黑洞不黑。例如10億t級(jí)的小黑洞，根據(jù)計(jì)算溫度可達(dá)到10K，即溫度高達(dá)幾千億度，不但不是“黑”的洞。相反是非常明亮的光源，實(shí)際上就是一個(gè)白洞，霍金還證明了小黑洞與白洞不可區(qū)分，其他科學(xué)家們還推測(cè)在難以想象的“奇異”狀態(tài)下，可能發(fā)生由黑洞向白洞的轉(zhuǎn)化。而我們的宇宙是否產(chǎn)生于一個(gè)超巨型的黑洞轉(zhuǎn)化為白洞的一場(chǎng)大爆炸中仍有待于探索。

三、“黑洞”在哪兒，恒星與黑洞在星系中的分布

大質(zhì)量的星系包括三類星體：一是質(zhì)量不變的星體，這類星體不發(fā)生核聚變；二是恒星，這類星體會(huì)發(fā)生核聚變，質(zhì)量會(huì)不斷損失；三是黑洞，該類星體大質(zhì)量恒星演化形成的，它會(huì)吸收周圍物資，質(zhì)量不斷增加。它們?cè)谛窍抵惺侨绾畏植寄?

在星系中，當(dāng)星體的質(zhì)量發(fā)生變化，它的質(zhì)量變化率不等于零，受到星體繞星系質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的角速度變化，會(huì)導(dǎo)致引力與離心力不能相互抵消。當(dāng)恒星質(zhì)量不斷損失時(shí)，恒星會(huì)受到一個(gè)向外的“力”，恒星向外加速運(yùn)動(dòng)；如果星系中有黑洞，當(dāng)黑洞質(zhì)量不斷增加時(shí)，黑洞會(huì)受到一個(gè)向內(nèi)的“力”，黑洞會(huì)向內(nèi)加速運(yùn)動(dòng)。結(jié)論：一個(gè)有黑洞的星系，恒星會(huì)分布在星系的外部區(qū)域，黑洞會(huì)分布在星系的中心區(qū)域；如果我們找黑洞，只能在星系中心附近找。

有人認(rèn)為宇宙本身就是一個(gè)大黑洞，也有人認(rèn)為宇宙中90％以上物質(zhì)已變成暗物質(zhì)，大質(zhì)量的恒星最終的命運(yùn)會(huì)是黑洞嗎?星系中心存在超大質(zhì)量的黑洞嗎?因?yàn)槿魏挝镔|(zhì)和光進(jìn)入黑洞，就再也無法從其內(nèi)逃脫出來，致使觀測(cè)者無法通過實(shí)驗(yàn)直接觀看到它。但目前理論認(rèn)為黑洞周圍的吸積盤上的氣體，由于摩擦溫度會(huì)變得極其高，從而發(fā)出大量X射線。因此，人們可以通過探測(cè)來自宇宙的X射線來探測(cè)黑洞，探測(cè)黑洞極強(qiáng)的引力在其周圍產(chǎn)生的一些效應(yīng)來研究黑洞，用引力透鏡效應(yīng)和恒星的開普勒軌道運(yùn)動(dòng)等來研究黑洞。

目前多數(shù)天體物理學(xué)家認(rèn)為天鵝座X—1(Cy—1)就是一個(gè)恒星級(jí)黑洞，并已探明它是一對(duì)雙星中的一顆，它一邊吞噬其伴星物質(zhì)，一邊發(fā)出強(qiáng)烈的X射線。早在1962年，美國(guó)的科學(xué)工作者賈科尼把X射線計(jì)數(shù)器放到高空，意外發(fā)現(xiàn)了來自太陽(yáng)和月球以外太空區(qū)域一個(gè)很強(qiáng)的X射線源，但當(dāng)時(shí)未能確定該X射線源天體的位置。1966年賈科尼和日本學(xué)者小田等用準(zhǔn)直器調(diào)制定位法測(cè)出天鵝座X—1，這是人類發(fā)現(xiàn)的首個(gè)來自宇宙的x射線源，后經(jīng)一些實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，測(cè)定出了雙星的軌道運(yùn)動(dòng)情況，從而推算得出天鵝座X一1的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的8倍(大于3倍太陽(yáng)質(zhì)量)，符合恒星級(jí)黑洞形成的條件。

超新星是某些恒星演化到末期時(shí)災(zāi)變性的大爆發(fā)，超新星爆發(fā)是一顆大質(zhì)量恒星的壯烈死亡。它的核心殘骸將是致密天體——黑洞或中子星。近年來每年都會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)百顆超新星，其中有代表性的是在1987年2月23日爆發(fā)的SNI987A這顆來自大麥哲倫星系的超新星，人們利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、錢德拉X射線天文臺(tái)、澳大利亞大天線陣和南雙子座望遠(yuǎn)鏡等對(duì)SN1987A進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀察和研究，目前天文學(xué)家還在繼續(xù)尋找這顆死亡恒星殘骸的下落。據(jù)估計(jì)這顆爆發(fā)的超新星很可能已變成恒星級(jí)黑洞或中子星。

最新黑洞理論認(rèn)為，在星系中心普遍存在超大質(zhì)量黑洞。1971年，天文物理學(xué)家Lynden-BellD和ReesM首次提出在銀河系中心存在一個(gè)黑洞——SgrA*并建議用射電干涉來尋找它，20世紀(jì)90年代以來，地面的天文觀測(cè)設(shè)備和空間x射線望遠(yuǎn)鏡都探測(cè)到了來自銀河系中心SgrA*黑洞的x射線。各國(guó)的天文物理學(xué)家通過多年研究，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)推算出其質(zhì)量為40～400萬倍太陽(yáng)質(zhì)量，用射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的大量數(shù)據(jù)和理論模型越來越支持SgrA*黑洞就是銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的說法，有些跡象表明它還有自旋，可能是科爾黑洞。我國(guó)的上海天文臺(tái)科學(xué)工作者從1997年開始用高分辨率甚長(zhǎng)基線干涉的新技術(shù)對(duì)SgrA*展開觀測(cè)，得出了相同的結(jié)論。

自2004年以來，阿根廷的PierreAuger天文臺(tái)的科學(xué)家用1600個(gè)離子探測(cè)器和24臺(tái)特制天文望遠(yuǎn)鏡記錄到高能宇宙射線，他們通過對(duì)這些宇宙射線的來源分析后認(rèn)為，這種高能宇宙射線極有可能來源于星系核，星系核中心的超大質(zhì)量黑洞為之提供了巨大能量。2002年，歐洲研制的用編碼孔徑成像技術(shù)的INTEGRAL衛(wèi)星上天后，新發(fā)現(xiàn)了幾十個(gè)被認(rèn)為是超大質(zhì)量的黑洞。

2010年11月，美國(guó)宇航局揭開了一則吊足媒體胃口的“秘密”——地球附近一個(gè)年僅30歲的黑洞，這也是人類科學(xué)史上發(fā)現(xiàn)的最年輕的黑洞。2011年8月，天文學(xué)家首次抓拍到黑洞吞噬恒星的過程，這被認(rèn)為是目前宇宙最神秘、最震撼的情景。照片中的黑洞仿佛魔鬼一般，將一顆接近它的恒星瞬間撕碎變成發(fā)光等離子體后消失無形。據(jù)悉，照片中的黑洞距地球約40億光年。2015年8月27日，NASA發(fā)布馬卡良231星系的近照，馬卡良231是擁有雙重巨型黑洞的近地球星系，距離地球6億光年。

為揭開黑洞的神秘面紗，2017年，一項(xiàng)黑洞觀測(cè)計(jì)劃，即“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）計(jì)劃正式啟動(dòng)。按照EHT計(jì)劃，全世界200多位科學(xué)家組成空前龐大的“戰(zhàn)斗陣營(yíng)”，利用全球多地的8個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡及其陣列，組成一個(gè)虛擬的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，即“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，同時(shí)對(duì)黑洞展開觀測(cè)。

綜上所述，現(xiàn)在采用尋找黑洞的辦法是探測(cè)來自宇宙的X射線源和確定X射線源的質(zhì)量,如有來自于致密天體的X射線,且這類致密天體的質(zhì)量大于3倍太陽(yáng)質(zhì)量，則基本認(rèn)定此類天體為黑洞。現(xiàn)已探明中子星的半徑大約是10英里，是恒星級(jí)黑洞臨界半徑的幾倍,一個(gè)大質(zhì)量恒星坍縮到更小的尺度變成黑洞的可能性是極大的，但最終要確定黑洞的存在，還有待于黑洞理論的進(jìn)一步完善和實(shí)驗(yàn)的更新驗(yàn)證。目前對(duì)于黑洞的對(duì)稱物——白洞的研究還停留在理論層面，尚無實(shí)驗(yàn)上的論證和支持。