◎ 科技日报记者 刘霞
在天文学领域的所有奇思妙想中，黑洞可能是最神奇的。作为宇宙中引力场超强、连光都无法逃逸的天体，这些超乎常理的黑暗“怪兽”令人闻之色变。
由于一般的物理学定律都会在黑洞中失效，人们很容易将黑洞视为科幻小说中才会出现的“怪物”。半个多世纪里，天文学家痴迷仰望，搜索宇宙星空，发现了大量直接和间接的证据，表明黑洞在宇宙中确实存在。借用大诗人苏轼面对人生的叹息，正所谓“黑洞到处知何似，应似飞鸿踏雪泥”。
国家天文台研究员张承民对科技日报记者介绍到：“1916年，德国天文学家卡尔·施瓦西最先预言了黑洞的存在，他发现黑洞是爱因斯坦广义相对论的必然结果”。换句话说，如果爱因斯坦的理论是正确的——所有证据都表明它是正确的，那么黑洞肯定存在。“然而，爱因斯坦对于黑洞这个怪异概念存有疑虑，他认为当引力场如此强大之时，或许其它作用力会阻止黑洞的出现”。
张承民进一步指出，英国物理学家罗杰·彭罗斯和斯蒂芬·霍金为黑洞的存在提供了更坚实的理论基础，他们证明，任何塌缩成黑洞的天体都会形成一个奇点，在那里，传统物理定律会分崩离析。这一观点已被广泛接受，彭罗斯也因为“发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测”而荣膺2020年诺贝尔物理学奖。
黑洞是爱因斯坦广义相对论的有力预测
美国国家航空航天局（NASA）称，上世纪30年代，印度天体物理学家苏布拉马尼安·钱德拉塞卡研究恒星核燃料耗尽时会发生什么时发现，恒星最终的命运主要取决于其星体质量。
张承民解释说：“如果这颗恒星很大，比如说质量为太阳的25倍，那么它的致密内核（质量可能是太阳的3倍甚至更大）就会塌缩成一个黑洞”。
据美国趣味科学网站报道，内核最后的塌缩只需几秒钟就可完成，并以伽马射线暴的形式释放出大量能量。 这一伽马射线暴向太空释放的能量可能相当于普通恒星一生释放的能量。地球上的望远镜已经探测到许多这样的伽马射线暴，其中有些来自数十亿光年以外的星系，因此我们实际上能够看到黑洞正在诞生。
科学家们探测到了黑洞诞生时产生的伽马射线暴
张承民表示，黑洞并非总是孤立存在，有时会成对出现，相互环绕。当它们“共舞”时，它们之间的引力相互作用会在时空中产生涟漪，这些涟漪会以引力波形式向外传播，这是爱因斯坦相对论做出的另一个预测。
据美国太空网站报道，借助美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）和欧洲的室女座探测器（ Virgo），科学家们现在有能力探测这些引力波。2016年2月，LIGO项目团队宣布，他们利用LIGO的两个探测器于2015年9月14日探测到来自两个黑洞合并产生的引力波信号。
随着探测器灵敏度逐日提高，科学家们发现了黑洞合并之外的其他引力波事件——今年6月29日，在一篇发表于《天体物理学杂志快报》的论文中，天文学家们称，在LIGO和Virgo的第三轮运行中，接连发现了两例来自黑洞—中子星合并的引力波事件GW200105和GW200115。其中GW200105由一个8.9倍太阳质量的黑洞和一个1.9倍太阳质量的中子星合并产生，此次合并发生在9亿光年之外。GW200115则来自一次10亿光年外的黑洞—中子星合并事件，“主角”分别是一个5.7倍太阳质量的黑洞，以及一个1.5倍太阳质量的中子星。
引力波的“艺术照”
在整个可观测宇宙中，我们或许会偶尔看到产生伽马射线暴和引力波的短暂高能事件，来证实黑洞的存在。但在黑洞生命的大部分时间里，它们几乎是不可探测的：它们不会发出任何光或其他辐射，这意味着它们可能潜伏在天文学家们意识不到的区域。
如果是这种情况，也有一种肯定能探测到这些暗黑“怪兽”的方法，那就是通过它们对其它恒星产生的引力效应。
据张承民介绍，2020年，天文学家在观测看起来很普通的双星系统HR 6819时注意到，这两颗可见恒星的运动有点反常，而这种反常只能通过存在第三个完全不可见的天体来解释。随后，研究人员计算出这个看不见的天体的质量至少是太阳质量的4倍，他们断定这个天体必定是一个黑洞。而且，它是迄今发现的离地球最近的黑洞，距离银河系仅1000光年。
HR 6819三体系统绕轨运行的艺术图
张承民说：“黑洞的第一个观测证据出现在1971年，它同样来自我们银河系中的一个双星系统，最近测出的距离约为7240光年。这个被称为'天鹅座X-1（Cygnus X-1）’的系统会产生宇宙中一些极其明亮的X射线， 此双星系统最初在1964年被发现”。
NASA称，这些射线并非来自黑洞本身，也并非来自黑洞的可见伴星——这颗伴星质量巨大，是太阳质量的33倍。物质不断从这颗巨大伴星上剥离，并被拖入黑洞周围的吸积盘，X射线正是从这个吸积盘发出的。
天文学家可以利用观测到的恒星运动来估计“天鹅座X-1”中这个不可见天体的质量。根据最新计算，这个质量为太阳21倍的黑暗天体集中在一个很小的空间，因此，它不可能是除黑洞之外的任何天体。
“天鹅座X-1”系统中黑洞从巨大伴星上剥离物质的艺术想象图
据美国趣味科学网站报道，除恒星塌缩产生的黑洞外，有证据显示，宇宙中大多数大星系（拥有数千亿颗恒星的星系）中央都有一个质量为太阳数百万甚至数十亿倍的超大质量黑洞。
也有证据表明，银河系的中心就有一个超大质量黑洞。这颗黑洞位于人马座的方向，所以被称为人马座A*（Sgr A*），它距离我们约26000光年，质量约为太阳的400万倍。
那么人马座A*这个超大质量黑洞会吞掉整个银河系吗？当然不会，因为它连距离很近的恒星S2都吃不到，更遑论离它更远的其他天体了。
此外，据美国《新闻周刊》2019年11月21日报道，德国天文学家发表研究称，他们首次在名为“NGC 6240”的星系中央发现了3个超大质量黑洞。这3个黑洞位于不到3000光年的空间区域内，质量都超过太阳质量的9000万倍。
银河系中央存在一个超大质量黑洞人马座A*
张承民指出，“证明黑洞存在的另一个证据是'意大利面化’——落入黑洞的物体会被黑洞的极大引力拉伸成细条”。幸运的是，这不太可能发生在你或你认识的任何人身上，但这很可能是离超大质量黑洞非常近的恒星的命运。
张承民解释说：“在黑洞周围进行轨道运动的星体，在没有外界干扰的情况下，它将一直保持下去而不会被黑洞吸到中心去。但假如星体受到外界干扰产生指向黑洞的作用，那么星体将进行螺旋运动，最后被黑洞吞噬”。
“在银河系黑洞中心附近的天体运动在短时间内保持稳定，但是扰动长时间积累也将会导致星体向黑洞靠拢，遭遇灭顶之灾。只不过，这需要几十亿甚至上百亿年”，张承民强调。
到目前为止，我们已经掌握了大量证明黑洞存在、有说服力的间接证据：辐射爆发、引力波，或者其他天体受到的动态影响等。
但最终起决定性作用的证据出现在2019年4月。2019年4月10日，包括中国科学家在内，全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容，它是活动星系梅西耶87中心超大质量黑洞的直观图像。这个黑洞距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。
首张黑洞直观图像
研究人员表示，这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点“捕获”的视觉证据，有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。
这张令人惊叹的照片是由事件视界望远镜拍摄的，这个望远镜是分散在世界各地的庞大望远镜网络。由于需要极高的灵敏度，8个射电望远镜分布在多个高海拔地区，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极等。
张承民解释说：“能够参与的望远镜网络越多，它们的间距越大，最终图像质量就越好”。
作为广义相对论最重要的预言之一，黑洞一直是最神秘，甚至最令人神往的存在，首张黑洞图片让人类能一睹黑洞的尊容，这是一个研究和观测黑洞的全新窗口，让我们可以揭示更多有关黑洞的秘密，这些秘密或许会给我们带来更多惊喜。
来源：科技日报 文中图片来自美国趣味科学网站
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