最近，銀河系中心超大質(zhì)量黑洞照片的公布又引發(fā)了大家討論黑洞的熱潮，很多網(wǎng)友親切地把這位新晉網(wǎng)紅稱為“甜甜圈”。相比2019年的第一張黑洞照片，銀心黑洞雖然離我們更近，但是它的質(zhì)量更小，拍攝難度更大。即使費(fèi)盡千辛萬(wàn)苦拍到了它的“真容”，其實(shí)也只是間接的樣子，是它在明亮吸積盤中投下的一抹陰影。對(duì)于它的真實(shí)結(jié)構(gòu)，人們更是知之甚少。

圖 左為M87星系中心超大質(zhì)量黑洞，右為銀河系中心超大質(zhì)量黑洞。圖源 | EHT（事件視界望遠(yuǎn)鏡）合作組織

強(qiáng)大而深邃，或許這就是黑洞獨(dú)特的魅力所在。神秘的“甜甜圈”賦予了我們無(wú)限的浪漫遐想，宇宙中形同螻蟻的人類，又對(duì)它了解多少？

一. “黑洞”概念的提出

黑洞并不是一個(gè)大洞，它也是一種天體。早在1784年，英國(guó)牧師約翰·米歇爾就提出了暗星（dark star）的概念：如果有一種和太陽(yáng)密度相同但直徑是太陽(yáng)500倍的天體，它發(fā)出的光將無(wú)法逃脫自身的引力——也就是說(shuō)，這顆星星是暗的、無(wú)法被觀察到的。同時(shí)，他還提出了觀測(cè)這種天體的方法——利用它對(duì)其他天體的引力效應(yīng)來(lái)間接觀測(cè)，這種方法也是現(xiàn)代觀測(cè)黑洞的手段之一。

由于缺乏觀測(cè)手段和與之匹配的理論，黑洞的研究沉寂了很多年，直到愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論的出現(xiàn)。1915年，卡爾·史瓦西在研究愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的時(shí)候，提出了史瓦西半徑公式。史瓦西發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天體的半徑等于史瓦西半徑時(shí)，方程的解變得很奇怪，但是當(dāng)時(shí)的人們并不能理解這意味著什么。

圖 史瓦西和史瓦西半徑 圖源| Wikipedia、田寧

不過(guò)，有一群人從另一個(gè)角度逼近著問(wèn)題的答案。1931年，錢德拉塞卡指出，大于1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量的天體在沒(méi)有核反應(yīng)的情況下，由于電子簡(jiǎn)并力無(wú)法對(duì)抗巨大的引力，電子會(huì)被壓入原子核，不可避免地發(fā)生坍縮，最終變成完全由中子構(gòu)成的星體，也就是中子星。對(duì)于質(zhì)量更大的情況，中子也會(huì)進(jìn)入簡(jiǎn)并態(tài)，通過(guò)中子簡(jiǎn)并力對(duì)抗引力以維持穩(wěn)定。羅伯特·奧本海默計(jì)算出中子簡(jiǎn)并物質(zhì)的質(zhì)量上限：超過(guò)3倍太陽(yáng)質(zhì)量的話，引力就會(huì)增強(qiáng)到中子簡(jiǎn)并力都無(wú)法對(duì)抗的程度，物質(zhì)就會(huì)不可避免地坍縮到一個(gè)點(diǎn)——一個(gè)密度無(wú)窮大的奇點(diǎn)。

奇點(diǎn)的出現(xiàn)賦予了史瓦西半徑現(xiàn)實(shí)的意義：天體的史瓦西半徑就是一個(gè)天體坍縮成奇點(diǎn)所需要壓縮到的半徑，而且也是天體坍縮成奇點(diǎn)后的逃逸速度等于光速的距離。

由于史瓦西半徑內(nèi)的逃逸速度大于光速（光都無(wú)法從這個(gè)區(qū)域逃脫），所以史瓦西半徑內(nèi)發(fā)生的一切事件外界都無(wú)法觀測(cè)，也就是說(shuō)，有一個(gè)無(wú)形的邊界將史瓦西半徑內(nèi)的一切和外界隔絕開(kāi)來(lái)。這個(gè)邊界被稱為“事件視界”（簡(jiǎn)稱視界）。美國(guó)物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒給這種漆黑的天體取了一個(gè)非常貼切又帥氣的名字——黑洞。

二. 黑洞存在與否的爭(zhēng)論

黑洞的概念雖然已經(jīng)提出了，但是這種天體是否真的存在？尷尬的是，很長(zhǎng)時(shí)間里，這都是一個(gè)無(wú)解的爭(zhēng)論，因?yàn)檎l(shuí)也沒(méi)有觀察過(guò)它。

很有意思的是，雖然廣義相對(duì)論是近代黑洞概念的起源，但是它的提出者——愛(ài)因斯坦卻對(duì)黑洞的存在表示反對(duì)——因?yàn)樗`反常理：怎么會(huì)有一個(gè)密度無(wú)窮大的東西存在呢？一直以來(lái)，物理學(xué)家們都認(rèn)為無(wú)窮屬于一種純粹的數(shù)學(xué)概念，現(xiàn)實(shí)世界中不應(yīng)該存在無(wú)法用具體數(shù)值來(lái)表示的量。為此，愛(ài)因斯坦提出了一些假設(shè)模型來(lái)“阻止”天體的質(zhì)量坍縮到奇點(diǎn)。兩派觀點(diǎn)一直爭(zhēng)論不休，卻都因?yàn)槿狈ψC據(jù)導(dǎo)致沒(méi)有定論。

但是，進(jìn)入21世紀(jì)，觀測(cè)數(shù)據(jù)卻似乎越來(lái)越往“黑洞真的存在”的方向傾斜——2015年9月14日，LIGO引力波天文臺(tái)首次直接觀測(cè)到了引力波。觀測(cè)信號(hào)與兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生引力波的理論預(yù)測(cè)相符，其中一個(gè)黑洞約36倍太陽(yáng)質(zhì)量，另一個(gè)黑洞則約29倍太陽(yáng)質(zhì)量。引力波信號(hào)表明，兩個(gè)物體在合并前的距離只有350公里，因此，這些物質(zhì)一定非常致密，合并后留下一個(gè)黑洞是最合理的解釋。此后，黑洞合并的引力波信號(hào)又被探測(cè)到近百次。

圖 合并前的黑洞想象圖。圖源| NASA

2019年，EHT合作組使用事件視界望遠(yuǎn)鏡獲得了黑洞的照片，這是人類第一次觀察到黑洞的樣子。最近，銀心黑洞照片的發(fā)布再次驗(yàn)證了一些黑洞理論的預(yù)言，照片的黑洞形態(tài)和理論預(yù)測(cè)也基本一致，所以這也是目前黑洞存在的最有力證據(jù)。

雖然目前有了一些有力的證據(jù)，但是這些證據(jù)仍不夠充分。由于缺少更清晰的觀測(cè)數(shù)據(jù)，尤其是缺少關(guān)鍵的“霍金輻射”的觀測(cè)證據(jù)，目前的黑洞模型是否正確還無(wú)法蓋棺定論。黑洞到底是一種什么樣的天體，還等待著人們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

三. 黑洞家族

目前人類擁有的兩張黑洞照片的主角——M87星系的黑洞和銀河系中心黑洞，都是超大質(zhì)量的克爾黑洞。但是宇宙中除了這種超大質(zhì)量的大家伙，其實(shí)還存在著各種各樣的黑洞。

黑洞的分類方式有兩種：一種是按質(zhì)量分類，另一種則是按照黑洞有沒(méi)有電荷和角動(dòng)量來(lái)分類。

黑洞按照質(zhì)量可以分為原初黑洞（不超過(guò)地球質(zhì)量）、恒星級(jí)黑洞（四到一百倍太陽(yáng)質(zhì)量）、中等質(zhì)量黑洞（一百到十萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量）和超大質(zhì)量黑洞（十萬(wàn)到一百億太陽(yáng)質(zhì)量）。

有趣的是，超大質(zhì)量黑洞可能是宇宙中最亮的天體（類星體）——是的，你沒(méi)有看錯(cuò)，宇宙中最亮的天體居然可能是一種黑洞！類星體一般都是大型星系的核心。它由一個(gè)超大質(zhì)量黑洞和黑洞吸收其他星體的物質(zhì)形成的巨大吸積盤組成。黑洞在吞噬吸積盤的時(shí)候會(huì)在兩極形成噴流，這種噴流由極強(qiáng)的伽馬射線組成，它的亮度可以達(dá)到它所在整個(gè)星系的亮度的一百倍！這也是宇宙中最為壯麗的奇觀之一。

圖 類星體想象圖。圖源| NASA

而按照電荷和角動(dòng)量分類，黑洞又有史瓦西黑洞（沒(méi)有電荷也不自轉(zhuǎn)）、克爾黑洞（沒(méi)有電荷但是會(huì)自轉(zhuǎn)）、賴斯納·諾德斯特羅姆黑洞（有電荷但是不自轉(zhuǎn)）和克爾-紐曼黑洞（有電荷且自轉(zhuǎn)）的區(qū)別。

我們看到的黑洞照片中，橙紅色的外環(huán)亮度不對(duì)稱的原因就是黑洞的自轉(zhuǎn)，所以這兩個(gè)黑洞都是克爾黑洞。

克爾黑洞的內(nèi)部是一個(gè)奇環(huán)而不是奇點(diǎn)，奇環(huán)的奇特時(shí)空性質(zhì)或許存在讓經(jīng)過(guò)這個(gè)區(qū)域的物體回到過(guò)去的可能?？藸柡诙吹倪@一可能性質(zhì)，給無(wú)數(shù)科幻作家?guī)?lái)了靈感和素材，并創(chuàng)作出了許多優(yōu)秀的作品（比如《星際穿越》《命運(yùn)石之門》），這也是黑洞帶給人們的浪漫遐想之一。

四. 黑洞也會(huì)死去嗎？

大多數(shù)人對(duì)史蒂芬·霍金并不陌生，對(duì)他的“霍金輻射理論”卻知之甚少?；艚疠椛?，就是霍金對(duì)黑洞性質(zhì)的一個(gè)著名預(yù)言1：黑洞并不是只進(jìn)不出的，黑洞也會(huì)向外發(fā)射輻射。

你可能會(huì)想，黑洞不是連光都無(wú)法逃逸嗎，怎么會(huì)有輻射可以逃脫黑洞的引力呢？確實(shí)，沒(méi)有任何東西可以從黑洞視界內(nèi)逃出來(lái)，但霍金輻射產(chǎn)生的場(chǎng)所恰恰就是黑洞視界的表面。

當(dāng)真空中漲落出一對(duì)正反粒子時(shí)，如果其中一個(gè)落入黑洞視界，另一個(gè)逃逸，那么看起來(lái)就像是黑洞向外發(fā)射了一個(gè)粒子一樣。根據(jù)能量守恒定律，為了“補(bǔ)償”真空能量的虧損，雖然黑洞獲得了一個(gè)粒子，自身卻要損失能量。這樣，黑洞的質(zhì)量也減少了一個(gè)發(fā)射出的粒子的質(zhì)量?；艚鸾?jīng)過(guò)計(jì)算還指出，黑洞的質(zhì)量越小，霍金輻射的溫度就會(huì)越高。如果黑洞的溫度大于宇宙微波背景輻射溫度的話，黑洞就會(huì)慢慢蒸發(fā)質(zhì)量。

圖 霍金輻射示意圖 圖| 田寧

那么問(wèn)題來(lái)了，如果存在霍金輻射，則意味著黑洞是有壽命的！也就是說(shuō)，黑洞并不是一個(gè)永恒存在、吞噬一切的怪物，它們也會(huì)有壽終正寢的一天?？蓪?duì)于恒星級(jí)以上的黑洞來(lái)說(shuō)，它的壽命會(huì)非常漫長(zhǎng)。但是，大爆炸產(chǎn)生的原始黑洞的壽命都極其短暫，人造的超級(jí)“迷你”黑洞的壽命更短，甚至可能一瞬間就蒸發(fā)殆盡了。即使成功制造出來(lái)，我們也只能探測(cè)到一個(gè)小小的、來(lái)自它的霍金輻射的閃光。

看到這里，你有沒(méi)有對(duì)黑洞這種神秘的天體了解的更多了一點(diǎn)？由于黑洞視界內(nèi)部完全無(wú)法觀測(cè)的性質(zhì)，人們?cè)谶M(jìn)一步了解黑洞的道路上遇到了很大的困難。但是，科學(xué)家們從未放棄過(guò)對(duì)黑洞真相的不懈追求。

目前，關(guān)于黑洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理論模型的構(gòu)建工作正在持續(xù)進(jìn)行，而為了探測(cè)到更清晰的黑洞，世界各國(guó)也聯(lián)合起來(lái)，使用最先進(jìn)的探測(cè)手段和分析技術(shù)，只為了看到更真實(shí)的黑洞。這次銀心黑洞的照片，就是世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡組成了一個(gè)等效面積幾乎和地球一樣大的大望遠(yuǎn)鏡陣列，并一齊向銀河系中心觀測(cè)才得到的。相信在不久的未來(lái)，人們一定可以破解更多黑洞的奧秘。

致謝：感謝蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院魏少文教授、中科院近代物理所侯素青副研究員閱讀本文并提出寶貴意見(jiàn)。

作者| 田寧

編輯| 劉芳

注釋：

1. 霍金輻射由于太過(guò)微弱，被淹沒(méi)在宇宙微波背景輻射中，導(dǎo)致至今無(wú)法被探測(cè)到。

參考文獻(xiàn)：

[1] C. E.Rolfs, W. S. Rodney. Cauldrons in the Cosmos (Univ of Chicago Pr, 1988).

[2] Black hole – Wikipedia. En. https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole

[3] Black Hole | COSMOS. Astronomy. https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/B/Black+Hole

[4] Quasar | COSMOS. Astronomy. https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/Q/Quasar[5]Hawking, S. W. (1974-03-01). “Black hole explosions?”. Nature. 248 (5443): 30–31.