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黑洞
逃逸速度超過(guò)光速的天體
人類首張黑洞照片M87
黑洞 (英文名Black Hole）是廣義相對(duì)論所預(yù)言的時(shí)空曲率大于光速的天體。它的基本特征是具有一個(gè)封閉的視界，外來(lái)的物質(zhì)和輻射可以進(jìn)入視界內(nèi)，而視界內(nèi)的物質(zhì)卻不能跑出視界外。它是由位于其中心的奇點(diǎn)和奇點(diǎn)周圍一定范圍內(nèi)的時(shí)空區(qū)域構(gòu)成的。1916年，德國(guó)科學(xué)家卡爾?史瓦西通過(guò)對(duì)愛因斯坦場(chǎng)方程的運(yùn)算證明了黑洞的存在。2019年，人類獲取了黑洞的首張照片。
基本信息
中文名
黑洞
英文名
Black Hole
別名
凍結(jié)星
拼音
Heidong
逃逸速度
超過(guò)光速
廣義相對(duì)論下，黑洞擁有極簡(jiǎn)的物理特征，僅由質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷三個(gè)物理量唯一確定。隨著量子理論的滲入，它又呈現(xiàn)出熵、溫度等豐富的物理性質(zhì)。“黑洞”這個(gè)名字是美國(guó)科學(xué)家約翰·惠勒在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上給出的。它是質(zhì)量足夠大的恒星在演化末期坍縮而形成的，通過(guò)吸積成長(zhǎng)，隨量子輻射而蒸發(fā)衰亡。雖然黑洞表面的逃逸速度大于光速，沒有光線能從其表面射出，人類仍可通過(guò)黑洞的吸積和噴流等所輻射的X射線獲知它們的存在訊息。奇點(diǎn)和視界面是黑洞結(jié)構(gòu)的共同特征。對(duì)黑洞的預(yù)言，是廣義相對(duì)論理論研究中的巨大成果；黑洞無(wú)毛定理的誕生，為黑洞理論研究提供了最簡(jiǎn)模型；人們通過(guò)黑洞的透鏡效應(yīng)，不僅看到了類似“日珥”這樣的太空奇景，還能了解到黑洞背后的星空。
二百多年來(lái)，無(wú)數(shù)科學(xué)家在探索黑洞的道路上留下了自己的足跡。而今，人類已發(fā)現(xiàn)了許許多多大小不同的黑洞，了解到了黑洞的很多方面，科學(xué)家們還先后兩次“捕獲”到了黑洞的照片，并利用黑洞合并探測(cè)到了引力波。引力波的發(fā)現(xiàn)為人類探索黑洞及整個(gè)宇宙提供了新媒介。
黑洞
展開
探索歷程
早在二百多年前，人類就已經(jīng)察覺到了黑洞的存在。
1783年，劍橋大學(xué)的教師約翰·米歇爾預(yù)測(cè)出了一個(gè)超大質(zhì)量、逃逸速度大于光速的“暗星”。1796年，法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯在其《宇宙系統(tǒng)論》中也表達(dá)了同樣的推論并稱之為“暗星”或“隱星”。這些預(yù)測(cè)通常被視為黑洞概念的萌芽。
1915年愛因斯坦的廣義相對(duì)論誕生，這為人類進(jìn)一步探索黑洞提供了重要的理論依據(jù)。
1916年初德國(guó)科學(xué)家卡爾·施瓦西通過(guò)運(yùn)算證明宇宙中存在這樣一種極為致密、其周圍時(shí)空極度彎曲的天體，光和其它任何物體一旦進(jìn)入它周圍的一個(gè)界面就無(wú)法逃脫。這在一定意義上可視為廣義相對(duì)論對(duì)黑洞的最早預(yù)言
1919年，英國(guó)赴西非的探險(xiǎn)隊(duì)在日食時(shí)觀察到光線通過(guò)太陽(yáng)附近會(huì)稍微偏折，這是空間和時(shí)間被彎曲的直接證據(jù)，愛因斯坦的廣義相對(duì)論得到了廣泛的確認(rèn)。研究黑洞的理論也因此變得更加完善。
1928年印裔美籍物理學(xué)家蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡經(jīng)過(guò)計(jì)算確認(rèn)了“錢德拉塞卡極限”。1939年美國(guó)物理學(xué)家奧本海默沿著當(dāng)年錢德拉塞卡的足跡，用同樣的方法計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，中子星同樣具有一個(gè)質(zhì)量上限，即“奧本海默極限”。一顆大質(zhì)量恒星死后遺骸的質(zhì)量超過(guò)奧本海默極限的話，最終將不可避免地形成黑洞。1963年，新西蘭物理學(xué)家羅伊·克爾得到了能描述不帶電旋轉(zhuǎn)恒星的愛因斯坦引力場(chǎng)方程的解，由這類恒星坍縮形成克爾黑洞。1964年，有科學(xué)家用觀測(cè)的方法發(fā)現(xiàn)了第一顆恒星級(jí)的黑洞。1965年紐曼等人求得愛因斯坦場(chǎng)方程的旋轉(zhuǎn)并帶電荷的克爾-紐曼黑洞的精確解。
1967年劍橋大學(xué)女研究生喬瑟琳·貝爾發(fā)現(xiàn)了中子星， 這是中子星存在的第一個(gè)明確無(wú)誤的證據(jù)。中子星的存在由假說(shuō)變成現(xiàn)實(shí)，這給相信黑洞存在的科學(xué)家?guī)?lái)了進(jìn)一步的鼓舞。同年，美國(guó)物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上首次使用“黑洞”這個(gè)名詞，并被大家廣泛接受。
1970年英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯與霍金合作發(fā)表了一篇題為“引力坍塌及宇宙學(xué)中的奇點(diǎn)”的論文，提出了“霍金-彭羅斯奇點(diǎn)定理”。
1971年英國(guó)物理學(xué)家霍金證明了黑洞物理的一條重要定理“黑洞視界面積不減定理“，后來(lái)以色列青年雅各布·貝肯斯坦在黑洞面積永不減小的理論基礎(chǔ)上，提出了黑洞熵的概念。1974年霍金又發(fā)現(xiàn)了黑洞的量子輻射，即霍金輻射。
2016年2月11日美國(guó)LIGO項(xiàng)目科學(xué)家宣布，人類首次直接探測(cè)到了引力波，這是2015年9月14日由美國(guó)兩個(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)同時(shí)檢測(cè)到的，這是黑洞存在的無(wú)可置疑的明證，人類將以最直接的方式觀測(cè)黑洞。
2019年4月10日視界望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)在美國(guó)華盛頓、比利時(shí)布魯塞爾、智力圣地亞哥、中國(guó)上海、中國(guó)臺(tái)北和日本東京世界六地同步發(fā)布人類有史以來(lái)所拍得的第一張黑洞照片。
2022年5月12日，視界望遠(yuǎn)鏡合作組織EHT發(fā)布了銀河系中心的一個(gè)黑洞——人馬座A*的直接圖像。它的質(zhì)量大約是太陽(yáng)的400萬(wàn)倍，距離地球約2.6萬(wàn)光年。
2023年1月19日中國(guó)科學(xué)家利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）的超大光譜數(shù)據(jù)樣本發(fā)現(xiàn)，恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律會(huì)隨恒星金屬元素含量和年齡的變化而發(fā)生顯著變化，刷新了對(duì)恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律的傳統(tǒng)認(rèn)知，這將對(duì)天體物理學(xué)多個(gè)領(lǐng)域的研究產(chǎn)生影響，也將為黑洞的研究增添一個(gè)新思路。
2023年3月30日，美國(guó)科學(xué)家利用詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了迄今已知最古老黑洞，這個(gè)黑洞在宇宙大爆炸后5.7億年形成，這一發(fā)現(xiàn)可幫助人們理解黑洞這類宇宙“怪獸”的起源及演化歷程。
探索黑洞的歷程還將展開新的篇章，世界各國(guó)科學(xué)家的協(xié)作正在逐漸破解黑洞之謎。
形成和演化
引力坍縮
黑洞產(chǎn)生的過(guò)程就是恒星衰亡的過(guò)程。當(dāng)一顆質(zhì)量大于太陽(yáng)3.2倍的恒星衰老時(shí)，它中心產(chǎn)生的能量越來(lái)越少，沒有足夠的力量承擔(dān)起外殼的重量，在自身引力的作用下，核心迅速地收縮，當(dāng)核心的所有物質(zhì)都變成中子時(shí)，被壓縮成一個(gè)密實(shí)的體積接近無(wú)限小、密度幾乎無(wú)限大的星體。當(dāng)核心的質(zhì)量大到使收縮過(guò)程無(wú)休止地進(jìn)行下去的時(shí)候，中子本身被碾壓成粉末，剩下來(lái)的是一個(gè)密度高到無(wú)法想象的物質(zhì)。由于質(zhì)量而產(chǎn)生的力量，使得任何靠近它的物體都被它吸進(jìn)去，包括光。
這個(gè)過(guò)程我們也可以從化學(xué)的角度去理解。通常，一顆正常的恒星最初只含氫元素，恒星內(nèi)部的氫原子核時(shí)刻相互碰撞，發(fā)生聚變。由于恒星質(zhì)量很大，聚變產(chǎn)生的能量與恒星萬(wàn)有引力抗衡，以維持恒星結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。氫原子核的聚變產(chǎn)生新的元素——氦元素，接著，氦原子也參與聚變，改變結(jié)構(gòu)，生成鋰元素。如此類推，按照元素周期表的順序，會(huì)依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，該恒星便會(huì)坍塌。這是由于鐵元素相當(dāng)穩(wěn)定，參與聚變時(shí)釋放的能量小于所需能量，因而聚變停止，而鐵元素存在于恒星內(nèi)部，這導(dǎo)致恒星內(nèi)部不具有足夠的能量與質(zhì)量與巨大恒星的萬(wàn)有引力抗衡，從而引發(fā)恒星坍塌，最終形成黑洞。
高能碰撞
人類無(wú)法去研究真實(shí)的黑洞，但人類研制的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，為人造黑洞創(chuàng)造了條件。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是一種將質(zhì)子加速對(duì)撞的高能設(shè)備。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子束在環(huán)形隧道沿著反方向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候強(qiáng)大的電場(chǎng)使它們的能量急劇增加，每運(yùn)行一圈就會(huì)獲得更多的能量，直到接近光速發(fā)生碰撞。高能碰撞可以產(chǎn)生微型黑洞，微型黑洞很快就會(huì)蒸發(fā)掉，因?yàn)槭ツ芰慷В蛔阋詫?duì)人類的安全造成威脅。但仍有科學(xué)家認(rèn)為這很危險(xiǎn)。
吸積與成長(zhǎng)
黑洞以自身強(qiáng)大的引力從周圍的空間中俘獲氣體、塵埃等物質(zhì)而使自身重量不斷增加，這個(gè)過(guò)程被稱為吸積。在附近的宇宙中，小黑洞主要通過(guò)吸積成長(zhǎng)，非常大的黑洞主要通過(guò)合并成長(zhǎng)，兩個(gè)黑洞可以互相融合形成一個(gè)更大的黑洞。相反，在遙遠(yuǎn)的宇宙中，小黑洞主要通過(guò)合并成長(zhǎng)，大黑洞則是通過(guò)吸積成長(zhǎng)。
年輕的黑洞通過(guò)對(duì)周圍物質(zhì)的不斷吸積或與另一黑洞合并而發(fā)展壯大，但黑洞也如恒星一樣不會(huì)永生，無(wú)法避免衰亡的宿命。
蒸發(fā)
根據(jù)量子理論，真空并不是一無(wú)所有，而是不斷地有虛的正反粒子對(duì)產(chǎn)生。它們不停地重復(fù)著產(chǎn)生、湮沒的過(guò)程，像潮水的漲落一樣時(shí)起時(shí)消，這被稱為”真空漲落”。霍金認(rèn)為，假如這種漲落發(fā)生在黑洞周圍，那么會(huì)有一種情況不可避免，一對(duì)正反粒子中的一個(gè)掉進(jìn)黑洞里，另一個(gè)成功逃離黑洞飛到遠(yuǎn)處。如果一個(gè)反粒子被吸入黑洞，可視為一個(gè)正粒子從黑洞逃脫。正粒子攜帶著從黑洞里來(lái)的正能量逃逸了，即黑洞的總能量減少了。能量的損失導(dǎo)致質(zhì)量的損失，當(dāng)黑洞損失質(zhì)量時(shí)，它的溫度和發(fā)射率增加，質(zhì)量損失會(huì)更快。這就是1974年誕生的“霍金輻射”。最后所有的黑洞將隨著時(shí)間的推移慢慢地蒸發(fā)掉。大黑洞輻射地慢，小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到發(fā)生爆炸。
主要性質(zhì)
質(zhì)量
一個(gè)穩(wěn)態(tài)黑洞的起始質(zhì)量來(lái)自與產(chǎn)生它的恒星，或合并前的黑洞。廣義相對(duì)論下，質(zhì)量或能量的分布決定了時(shí)空的性質(zhì)，引起時(shí)空彎曲。黑洞的質(zhì)量集中于體積無(wú)限小密度無(wú)限大的奇點(diǎn)，由它產(chǎn)生的時(shí)空曲率超過(guò)光速。黑洞的質(zhì)量正比于黑洞的視界半徑，即史瓦西半徑。可通過(guò)史瓦西半徑求得黑洞質(zhì)量。由于黑洞只進(jìn)不出的性質(zhì)，黑洞的質(zhì)量和表面積一樣只增不減。一個(gè)不帶電不旋轉(zhuǎn)的黑洞可以由質(zhì)量唯一確定。
角動(dòng)量
角動(dòng)量是描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的物理量。靜止的黑洞角動(dòng)量為0。一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞的角動(dòng)量可能會(huì)隨著新物質(zhì)的落入而不斷變化。 視界的大小可以變大，而奇點(diǎn)和能層的大小可以變大或變小，這取決于新物質(zhì)的角動(dòng)量。 具有角動(dòng)量的真實(shí)黑洞周圍有被拖曳著旋轉(zhuǎn)的空間。宇宙中普遍存在著不帶電而旋轉(zhuǎn)的黑洞，只需要角動(dòng)量、質(zhì)量?jī)蓚€(gè)物理量量就能區(qū)分兩個(gè)不同的黑洞。
溫度與表面引力
由于黑洞會(huì)不斷產(chǎn)生輻射并且散失到太空中，黑洞的終極命運(yùn)將是徹底蒸發(fā)、消失于無(wú)形。但在2016年，霍金提出黑洞的“軟毛”可以保存黑洞熵的部分信息。所謂軟毛，是黑洞視界面附近的光子。它們來(lái)自黑洞蒸發(fā)過(guò)程中的輻射。一個(gè)系統(tǒng)存在熵就存在溫度，在視界面與熵成正比的前提下容易證明表面引力與溫度成正比。表面引力就是將物體放在視界處受到的引力場(chǎng)強(qiáng)度。也就是說(shuō)，黑洞所對(duì)應(yīng)的溫度正比于黑洞視界的引力強(qiáng)度，取決于黑洞的大小。一個(gè)只是太陽(yáng)幾倍重的黑洞，它的溫度相當(dāng)于絕對(duì)零度，只比絕對(duì)零度高出億分之一度。
黑洞熱力學(xué)
黑洞熱力學(xué)是在霍金輻射理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。1974年，霍金在考慮黑洞附近的量子場(chǎng)論時(shí)，他發(fā)現(xiàn)黑洞并不完全是”黑“的，而是以熱輻射的形式在向外輻射物質(zhì)，輻射溫度正比于它的表面引力，這種輻射是一種量子效應(yīng)。霍金輻射的一個(gè)重要意義是使人們相信黑洞是一個(gè)真實(shí)的熱力學(xué)系統(tǒng)。惠勒的學(xué)生雅各布·貝肯斯坦在黑洞面積永不減小的理論基礎(chǔ)上，提出了黑洞熵的概念。他認(rèn)為，在不違背熱力學(xué)第二定律的前提下，從信息論的角度出發(fā)，黑洞應(yīng)該有一個(gè)正比于它的視界面積的熵。霍金確定了這一正比例關(guān)系的系數(shù)并真正把黑洞的熵建立在黑洞的熱力學(xué)基礎(chǔ)之上。對(duì)照普通的熱力學(xué)體系，黑洞有了自己的“熱力學(xué)定律”和相應(yīng)的計(jì)算公式。黑洞熵和黑洞外物質(zhì)熵之和在任何物理過(guò)程中永不減小；不能經(jīng)過(guò)有限的物理過(guò)程將黑洞的溫度降低到零；對(duì)于一個(gè)穩(wěn)態(tài)黑洞，它的視界表面引力是一個(gè)常數(shù)，它定義了黑洞的溫度；對(duì)應(yīng)熱力學(xué)第一定律，黑洞熱力學(xué)也有自己特有的能量守恒體系。黑洞熱力學(xué)的研究正在揭示廣義相對(duì)論、熱力學(xué)和量子理論之間的深刻聯(lián)系。
電磁輻射
當(dāng)黑洞吞吃恒星等物質(zhì)時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)被它撕扯成氣體并在視界外圍形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的吸積盤。這些被吸積的氣體一邊旋轉(zhuǎn)一邊向視界面靠近，越靠近視界面轉(zhuǎn)速越快。這些高速旋轉(zhuǎn)的氣體之間的摩擦產(chǎn)生大量的熱，吸積盤中心的強(qiáng)高溫氣體迸發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。
人類探測(cè)到的黑洞，大部分位于宇宙中普遍存在的雙星系統(tǒng)中。有時(shí)雙星系統(tǒng)中的另一個(gè)天體是正常的恒星。正常恒星的物質(zhì)會(huì)被黑洞吸引過(guò)去，并首先進(jìn)入吸積盤中。當(dāng)被吸積的氣體過(guò)多時(shí)，一部分沒能落入黑洞的氣體會(huì)沿著黑洞的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸被拋射出去，產(chǎn)生非常壯觀的噴流。
結(jié)構(gòu)特征
黑洞的基本特征是由視界面來(lái)表征的，奇點(diǎn)和視界面是黑洞結(jié)構(gòu)的共同特征。質(zhì)量、電荷、角動(dòng)量三個(gè)物理量可確定唯一一個(gè)黑洞，這是黑洞的物理性質(zhì)，同時(shí)也表明了黑洞擁有非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)特征。能層、光子球等是它的附屬特征。
奇點(diǎn)
奇點(diǎn)是位于黑洞中心的，體積無(wú)限小、密度無(wú)窮大、時(shí)空曲率無(wú)窮大的點(diǎn)。
廣義相對(duì)論誕生后不久，卡爾·史瓦西預(yù)言，宇宙中存在一種足夠致密的恒星，它會(huì)被自身的引力壓縮，最終坍縮成一個(gè)體積無(wú)限小密度無(wú)限大的點(diǎn)，留下的只有引力場(chǎng)，自己本身消失殆盡。后來(lái)這個(gè)點(diǎn)被稱為奇點(diǎn)。奇點(diǎn)是無(wú)限小的空間中包含著巨大質(zhì)量的一維點(diǎn)，是宇宙中密度最高的地方， 具有極強(qiáng)的引力，任何物體只能在它周圍的一定區(qū)域外游弋，這個(gè)區(qū)域被稱為視界。越過(guò)視界面的一切物體，都會(huì)被拽向奇點(diǎn)。因其逃逸速度超過(guò)光速而沒有一絲光線向外射出，我們只能根據(jù)它對(duì)周圍物質(zhì)產(chǎn)生的影響確定它的存在。
克爾黑洞由于旋轉(zhuǎn)的原因，它的中心不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)奇環(huán)，由奇點(diǎn)圍成的一條圓圈線。掉入克爾黑洞的物體有可能穿過(guò)奇環(huán)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)空區(qū)域。
視界面
視界面是包括光在內(nèi)的任何物質(zhì)都無(wú)法逃逸的時(shí)空分界面。在距離黑洞中心的某一距離處，逃逸速度等于光速，在此距離內(nèi)，任何物質(zhì)都不能逸出，此距離被稱為史瓦西半徑，史瓦西半徑處想象中的球面就是視界面，簡(jiǎn)稱視界。視界的大小與形成這個(gè)黑洞的恒星質(zhì)量成正比。不旋轉(zhuǎn)黑洞和旋轉(zhuǎn)黑洞的視界面不同。
- 旋轉(zhuǎn)的克爾黑洞，有內(nèi)外兩個(gè)視界面，一個(gè)是球形一個(gè)是扁球形。球形的視界面稱為事件視界面；扁球型的視界面稱為靜止界限, 簡(jiǎn)稱靜限。
能層
旋轉(zhuǎn)黑洞除了有內(nèi)外兩個(gè)視界面外，還有內(nèi)外兩個(gè)無(wú)限紅移面。在外視界和外無(wú)限紅移動(dòng)面之間，內(nèi)內(nèi)視界和內(nèi)無(wú)限紅移面之間，各存在一個(gè)能層。穿過(guò)外紅移面進(jìn)入外能層的物體，只要不進(jìn)入外視界，就并未進(jìn)入黑洞，仍有可能逃離。進(jìn)入外視界的物體將落入內(nèi)視界無(wú)法逃離。能層中的能量是黑洞系統(tǒng)產(chǎn)生噴流的能量來(lái)源。這種能量是可以通過(guò)大尺度磁場(chǎng)提取的。
黑洞剖面圖
光子球
光子球是個(gè)零厚度的球狀邊界。黑洞的引力在這個(gè)邊界所產(chǎn)生的重力加速度，剛好使得部分光子以圓形軌道繞黑洞旋轉(zhuǎn)，對(duì)于不旋轉(zhuǎn)的黑洞，這個(gè)軌道大約是史瓦西半徑的1.5倍，會(huì)隨著黑洞的成長(zhǎng)而變動(dòng)。
最內(nèi)側(cè)的穩(wěn)定圓形軌道
圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的吸積盤，有一個(gè)臨界區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，物質(zhì)不再能穩(wěn)定地繞黑洞旋轉(zhuǎn)，如果沒有外力的幫助，注定會(huì)被黑洞吞噬。這個(gè)位置在吸積盤和黑洞的事件視界之間，被稱為“最內(nèi)層穩(wěn)定圓軌道”，簡(jiǎn)稱ISCO。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的、不旋轉(zhuǎn)的黑洞，其ISCO是史瓦西半徑的三倍。對(duì)于普遍存在的旋轉(zhuǎn)黑洞，ISCO就很難計(jì)算，因?yàn)檫@取決于黑洞旋轉(zhuǎn)的速度，以及物體所處的軌道是隨著黑洞旋轉(zhuǎn)，還是反其道而行逆行。
分類
根據(jù)質(zhì)量大小分類
- 原初黑洞： 起源于早期宇宙的密度漲落。是宇宙中質(zhì)量最小存在時(shí)間最短的黑洞，遠(yuǎn)在恒星形成之前，大爆炸結(jié)束之后不久就已經(jīng)存在。這類黑洞不是由大質(zhì)量恒星引力坍縮形成的。它們的質(zhì)量既能只有幾克，又可以重到百億太陽(yáng)質(zhì)量。有科學(xué)家猜測(cè)，它可能是超大質(zhì)量黑洞的種子黑洞。早在上個(gè)世紀(jì)60年代，美國(guó)物理學(xué)家澤爾多維奇和霍金分別指出了這類黑洞存在的理論可能性。
微型黑洞：原初黑洞的一種。根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)理論，在早期宇宙中，可能存在一些微型黑洞，一個(gè)質(zhì)量為10的15次方克重的黑洞。其空間尺度只有10的-13次方厘米左右，相當(dāng)于一個(gè)原子核的大小。由于溫度很高而有很強(qiáng)的發(fā)射。高能天體研究所發(fā)現(xiàn)的高能爆發(fā)過(guò)程也許就是這些小黑洞的發(fā)射及其最終的爆發(fā)引起的。
2. 恒星級(jí)黑洞：起源于大質(zhì)量恒星的引力坍縮，是大質(zhì)量恒星死亡后形成的，是宇宙中存在最廣泛的黑洞。理論上預(yù)測(cè)，銀河系中可能有上億個(gè)這樣的黑洞。2019年11月28日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)劉繼峰、張昊彤研究團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，在國(guó)際科學(xué)期刊《自然》上發(fā)布，一顆70倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，通過(guò)中國(guó)的郭守敬望遠(yuǎn)鏡被發(fā)現(xiàn)。這顆黑洞的質(zhì)量遠(yuǎn)超理論預(yù)言的質(zhì)量上限，顛覆了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)知。雖然理論預(yù)言銀河系有上億顆恒星級(jí)黑洞，但一共發(fā)現(xiàn)的只有約20顆，且質(zhì)量都小于20倍太陽(yáng)質(zhì)量。1964年有科學(xué)家用觀測(cè)方法發(fā)現(xiàn)了第一顆恒星級(jí)黑洞。
- 超大質(zhì)量黑洞：質(zhì)量特別大的黑洞被稱為超大質(zhì)量黑洞，幾乎在所有星系的中心都存在超大質(zhì)量黑洞，通常有太陽(yáng)質(zhì)量的100萬(wàn)到幾十億倍，霍爾姆15A星系團(tuán)中的黑洞質(zhì)量是太陽(yáng)的400億倍。這種黑洞可能產(chǎn)生于種子黑洞的吸積，也可能產(chǎn)生于黑洞的并合過(guò)程。超大質(zhì)量黑洞的密度可以很低，甚至比空氣的密度還要低。
- 中等質(zhì)量黑洞：在恒星級(jí)黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間存在的中間級(jí)黑洞，目前這種黑洞存在的有力的證據(jù)來(lái)源是低光度的活動(dòng)星系核，它的中心黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的一百萬(wàn)倍以內(nèi)。2019年5約1日LIGO和Virgo兩座引力波天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)了距離地球約170億光年的142倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞。這是人類探測(cè)到的首個(gè)中等質(zhì)量黑洞。它是由兩個(gè)黑洞合并而來(lái)的。
根據(jù)廣義相對(duì)論下黑洞的時(shí)空幾何特征分類：
1. 史瓦西黑洞， M（質(zhì)量）不等于0，J (角動(dòng)量)和Q(電荷) 等于0。 史瓦西于1916年提出了史瓦西黑洞假說(shuō)，這是一種不帶電、不自旋的黑洞。史瓦西黑洞又被稱為“尋常黑洞”，其本身只是一種假說(shuō)模型，是理想狀態(tài)下的黑洞，并不能代表現(xiàn)實(shí)當(dāng)中黑洞的真實(shí)面貌。
2. 克爾黑洞， M不等于0，J不等于0， Q=0。克爾黑洞是旋轉(zhuǎn)不帶電的黑洞，有內(nèi)外兩個(gè)視界，其間有能層。1963年，新西蘭數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家羅伊·克爾得到了能描述不帶電旋轉(zhuǎn)恒星的愛因斯坦引力場(chǎng)方程的解，由這類恒星坍縮形成的黑洞被稱為克爾黑洞。相比于靜態(tài)的史瓦西黑洞，克爾黑洞更接近于實(shí)際物理上的黑洞。
3. 瑞斯尼-諾斯特朗黑洞， M不等于0，J=0，Q不等于0。這是一種帶電但不旋轉(zhuǎn)的黑洞 。
4. 克爾-紐曼黑洞， M不等于0，J 不等于0，Q不等于0。 這是一種旋轉(zhuǎn)且?guī)щ姷暮诙?/span>。
瑞斯尼-諾斯特朗黑洞和克爾紐曼黑洞兩種都是帶電黑洞，一般認(rèn)為帶電的黑洞不大可能具有重要的天體物理意義，因?yàn)樵谔祗w物理環(huán)境中，一個(gè)帶電天體將被周圍的等離子體迅速中性化。所以在天體物理中具有重要意義的是史瓦西黑洞和克爾黑洞。宇宙中存在的黑洞大多都是克爾黑洞。
相關(guān)研究
黑洞與廣義相對(duì)論
在廣義相對(duì)論理論體系中，時(shí)間和空間合在一起被稱為時(shí)空。時(shí)空是一體化的，不可分的。 曲率指彎曲的程度。時(shí)空曲率指的是時(shí)空被彎曲的程度。宇宙中一切物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)都可以用時(shí)空曲率來(lái)描述，引力場(chǎng)實(shí)際上是一個(gè)彎曲的時(shí)空，這個(gè)彎曲的時(shí)空決定了物質(zhì)和能量運(yùn)動(dòng)的規(guī)則。在引力場(chǎng)中，時(shí)空的性質(zhì)是由物體的“質(zhì)量”（或能量）分布決定的，物體“質(zhì)量”的分布狀況使時(shí)空性質(zhì)變得不均勻，引起了時(shí)空的彎曲。物質(zhì)密度越大的地方，時(shí)空曲率也就越大。也就是說(shuō)，當(dāng)光線經(jīng)過(guò)一些像黑洞這樣的“大質(zhì)量”的天體時(shí)，它的路線是彎曲的，它將沿著“大質(zhì)量”物體所形成的“時(shí)空曲面”前進(jìn)。萬(wàn)有引力的本質(zhì)是時(shí)空彎曲。廣義相對(duì)論成功預(yù)言了黑洞，是黑洞研究的重要理論依據(jù)。
科學(xué)家從十八世紀(jì)就開始猜想黑洞的存在，直到廣義相對(duì)論誕生，黑洞的真實(shí)存在才得到確認(rèn)。物理學(xué)家史瓦西利用愛因斯坦方程求解，得到了廣義相對(duì)論的一個(gè)嚴(yán)格解——如今被稱為施瓦西解，推導(dǎo)出了一個(gè)擁有無(wú)限密度和極高質(zhì)量的天體，這就是黑洞。它能使時(shí)空發(fā)生極度彎曲，要擺脫這種時(shí)空彎曲，所需的逃逸速度超過(guò)了光速，可宇宙間沒有可以超過(guò)光速的物質(zhì)，所以包括光在內(nèi)的所有物質(zhì)，只要進(jìn)入黑洞就無(wú)法逃脫。
而今人類已經(jīng)手握黑洞照片，這與愛因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的黑洞完全吻合。
黑洞無(wú)毛定理
黑洞是由大質(zhì)量恒星坍縮聚集而成的體積無(wú)限小、密度無(wú)限大的奇點(diǎn)和周圍幾乎空空如也的一部分天區(qū)組成的，已喪失了形成它的恒星的一切訊息。落入黑洞的視界面的物體，它的絕大部分信息已失去。美國(guó)物理學(xué)家約翰?惠勒認(rèn)為，黑洞只剩下質(zhì)量M、角動(dòng)量 J 和電荷Q三個(gè)特征。知道了這三個(gè)特征也就知道了有關(guān)它的一切。無(wú)論什么樣的黑洞，其最終性質(zhì)僅由質(zhì)量、角動(dòng)量、電荷這三個(gè)物理量惟一確定。這種特征被他戲稱為“黑洞無(wú)毛”。這就是有名的黑洞無(wú)毛定理。毛”指的是坍縮前恒星的種種細(xì)節(jié)。1973年霍金、布蘭登·卡特爾等人證明了“無(wú)毛定理”的正確性。
黑洞無(wú)毛定理形象地展示了黑洞這種特殊天體極簡(jiǎn)的物理特征。
同時(shí)，黑洞無(wú)毛定理也沒有否認(rèn)可能有其它量子荷的存在。“黑洞無(wú)毛”的觀點(diǎn)被量子力學(xué)挑戰(zhàn)后，黑洞的特征變得多了起來(lái)。
黑洞的透鏡效應(yīng)
黑洞巨大的引力，使得它周圍的光線發(fā)生大幅彎曲并向著它的方向靠近。即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會(huì)落入黑洞中消失，可另一部分光線會(huì)通過(guò)彎曲的空間繞過(guò)黑洞而到達(dá)地球，這樣我們就能觀察到黑洞背面的星空了，就像黑洞本身不存在一樣。有些恒星不僅是朝著地球這邊發(fā)出的光能直接到達(dá)地球，朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近黑洞的強(qiáng)引力彎曲而能到達(dá)地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的正 面，還同時(shí)看到它的側(cè)面、或背面，甚至有時(shí)可以看到來(lái)自同一顆恒星的兩個(gè)或多個(gè)像。黑洞通過(guò)這種引力透鏡效應(yīng)把自己藏在茫茫宇宙之中，給人類留下無(wú)限遐想和猜測(cè)。
探索成果
黑洞照片
直接觀測(cè)黑洞的序幕是由黑洞的首張照片拉開的。2019年4月10日，事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)宣布，已成功獲得超大質(zhì)量黑洞的第一個(gè)直接視覺證據(jù)，該黑洞圖像為室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞，它距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的65億倍。由8個(gè)地面射電望遠(yuǎn)鏡組成的觀測(cè)陣列，形成一個(gè)口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡來(lái)捕捉黑洞圖像，其所達(dá)到的靈敏度和分辨本領(lǐng)都前所未有。愛因斯坦提出的廣義相對(duì)論得到了首次試驗(yàn)驗(yàn)證。
通常認(rèn)為大多數(shù)星系中心都存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。我們所在的銀河系中心的黑洞大約有400萬(wàn)倍太陽(yáng)的質(zhì)量。
2022年5月12日，人類首次拍攝到銀河系中心超大質(zhì)量黑洞*(簡(jiǎn)稱Sgr A*)的照片。這是繼2019年4月人類拍攝到室女座星系團(tuán)中M87中心超大質(zhì)量黑洞照片后的第二張黑洞照片。這張照片集結(jié)了來(lái)自全球80個(gè)研究機(jī)構(gòu)共300多名研究人員組成的EHT合作組織的共同努力才得以實(shí)現(xiàn)。除了開發(fā)復(fù)雜的工具來(lái)克服Sgr A*成像面臨的挑戰(zhàn)外，研究團(tuán)隊(duì)花了五年時(shí)間，用超級(jí)計(jì)算機(jī)合成和分析數(shù)據(jù)，編纂了前所未有的黑洞模擬數(shù)據(jù)庫(kù)與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格比對(duì)。
這次發(fā)布的觀測(cè)成果給出了該天體就是黑洞的實(shí)證，為人類理解星系中心的黑洞的行為提供了 寶貴的線索 。這意味著人類在觀測(cè)設(shè)備、觀測(cè)技巧、數(shù)據(jù)處理能力等多方面有了一次系統(tǒng)化的飛躍。同時(shí)，這一成果進(jìn)一步提升了對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論的檢驗(yàn)。該照片由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織這個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)分布在全球的射電望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)“拍攝”而成，科學(xué)家之前已觀測(cè)到眾多的恒星圍繞著銀河系中心一個(gè)不可見的、致密的和質(zhì)量極大的天體作軌道運(yùn)動(dòng)。這已強(qiáng)烈暗示這個(gè)被稱作人馬座A*的天體是一個(gè)黑洞，而這次所得的照片則提供了首個(gè)直接的視覺證據(jù)。
黑洞與引力波
廣義相對(duì)論預(yù)言了黑洞也預(yù)言了引力波。引力波是大質(zhì)量天體爆發(fā)、旋轉(zhuǎn)或合并等事件引發(fā)的“時(shí)空漣漪”。在物理學(xué)中，引力波以引力輻射的形式傳輸能量 當(dāng)物質(zhì)的分布改變時(shí)，時(shí)空也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，就好像在平靜的湖面丟進(jìn)一塊石子，湖面就有一圈波浪向外蕩漾，時(shí)空也會(huì)將漣漪向外傳開，這就是引力波。因?yàn)橐Σ〝y帶著波源的信息，所以可以被當(dāng)作探測(cè)宇宙深處的工具。 引力波的頻率很寬， 就像交響樂(lè)中的高、低、中音一樣。不同頻率有不同的探測(cè)方法。科學(xué)家們可以通過(guò)捕捉和測(cè)量引力波，計(jì)算出黑洞的質(zhì)量。2016年2月11日，美國(guó)LIGO項(xiàng)目科學(xué)家宣布，人類于2015年9月14日首次直接探測(cè)到了引力波，人類“聽”到了黑洞。13億光年之外，兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波被美國(guó)的“激光干涉引力波天文臺(tái)”探測(cè)到，這為黑洞的存在提供了最直接明確的證明。同時(shí)也證明了恒星級(jí)雙黑洞系統(tǒng)的存在。合并過(guò)程中相當(dāng)于有３個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量以引力波的形式釋放。自２０１５年到2018年，科學(xué)家探測(cè)到１０次由黑洞合并事件產(chǎn)生的引力波。黑洞使人類發(fā)現(xiàn)引力波，并有了利用引力波探索和感知宇宙的新能力，能夠更精確地來(lái)觀察宇宙中遙遠(yuǎn)的角落。源自大爆炸的引力波，還能幫助科學(xué)家更好地理解宇宙的構(gòu)成。
探索黑洞的意義
黑洞是宇宙空間中一處離奇古怪、神秘莫測(cè)的風(fēng)景，我們?cè)绞强床坏剿较胫浪臉幼印Ｌ剿魑粗侨祟惿婧颓斑M(jìn)的動(dòng)力，也推動(dòng)人類向更先進(jìn)更文明的方向發(fā)展。了解黑洞這一天體，有利于我們探索時(shí)空的起源、推測(cè)宇宙的未來(lái)；也有益于增強(qiáng)人類面對(duì)生存挑戰(zhàn)的能力，減少太空探索風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)黑洞也吸引了更多的人加入到天文學(xué)研究中來(lái)；物理學(xué)研究也由此獲得了許多新的靈感。有跡象表明，黑洞也許是科學(xué)家將廣義相對(duì)論和量子理論統(tǒng)一起來(lái)的一個(gè)向?qū)В瑥亩苿?dòng)人類科學(xué)進(jìn)一步發(fā)展。
物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)。黑洞彎曲了時(shí)空，捕獲著周圍的物質(zhì)，時(shí)空也讓黑洞在廣義相對(duì)論的規(guī)則下存在和運(yùn)動(dòng)。它們或大或小，或輕或重，遍布宇宙星空。現(xiàn)在我們只能看到它的外圍，它里面究竟是什么樣，最大的那一顆藏在哪里，它們吞吃多少才足夠, 有關(guān)黑洞的種種謎團(tuán)仍舊等待人類去破解。探索黑洞的道路上，有你，有我，有跨國(guó)界的科學(xué)協(xié)作，有人類共同的追求與和執(zhí)著。
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這家伙太懶了，什么都沒寫！
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