北京時(shí)間 12 月 3 日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，黑洞比宇宙中許多物體都要古老，其數(shù)量也非常龐大。它們的起源和形成講述了宇宙的過去和未來。如果斯蒂芬?霍金看到今天科學(xué)領(lǐng)域中與黑洞相關(guān)的研究進(jìn)展，他將會(huì)非常高興。他的夢(mèng)想和愿景不僅是理解黑洞的整體功能，還包括對(duì)黑洞進(jìn)行真切的觀測。
▲ 正在爆發(fā)的超新星
畢竟，霍金不僅重新了定義先前有關(guān)黑洞的假設(shè)，還使原本圍繞黑洞的純粹猜測有了一定依據(jù)。正是在他的研究基礎(chǔ)上，今天的物理學(xué)家才能取得一系列重大進(jìn)展?！昂诙础边@個(gè)詞本身可能會(huì)在你腦海中引發(fā)一系列聯(lián)想，讓你以為這是一種致命的天體，能帶來潛在的災(zāi)難。然而，我們?nèi)匀粺o法完全領(lǐng)略黑洞的真正美麗之處和強(qiáng)大的力量。接下來，讓我們?cè)囍呓钪嬷羞@些依然籠罩著神秘色彩的區(qū)域。
什么是黑洞？
黑洞通常指的是宇宙空間中的一個(gè)區(qū)域，那里的引力非常巨大，無論是物質(zhì)還是輻射，甚至光，都難以從黑洞內(nèi)部逃脫出來。也正因?yàn)槿绱?，我們無法直接看到它們。
黑洞產(chǎn)生的最常見原因是恒星的死亡。因此，盡管不可能看到黑洞，但我們可以使用非常先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡來觀察黑洞鄰近恒星的結(jié)構(gòu)和行為。當(dāng)這些恒星靠近黑洞時(shí)，它們會(huì)表現(xiàn)出很不一樣的行為。
黑洞的組成
▲ 黑洞的事件視界與周圍的吸積盤
首先我們要了解什么是“事件視界”。這是一種時(shí)空的曲隔界線，也可以認(rèn)為是黑洞的邊界。旋轉(zhuǎn)黑洞的事件視界分為外部視界和內(nèi)部視界；非旋轉(zhuǎn)黑洞也稱為史瓦西黑洞，內(nèi)外視界重合。越過事件視界時(shí)，黑洞能有效地將落入其中的物質(zhì)質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。事件視界的概念最早由 18 世紀(jì)英國自然哲學(xué)家約翰?米歇爾提出，后來由沃夫?qū)?林德勒確定為專門的術(shù)語。
關(guān)于黑洞的另一個(gè)有趣概念是“奇點(diǎn)”，即黑洞整個(gè)質(zhì)量在空間和時(shí)間上集中的一點(diǎn)。在這一點(diǎn)上，物質(zhì)被壓縮為體積非常小的點(diǎn)，密度極高，向內(nèi)吸引力極強(qiáng)。按照廣義相對(duì)論，只要形成一個(gè)無自轉(zhuǎn)的史瓦西黑洞，其事件視界內(nèi)的物質(zhì)必然在引力作用下坍塌成一個(gè)密度無限大的點(diǎn)，即奇點(diǎn)。目前已知的物理定律會(huì)在奇點(diǎn)失效，單個(gè)實(shí)體也失去了意義。
黑洞是如何形成的？它們的大小如何？
雖然大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，第一批黑洞是在宇宙最初開始膨脹時(shí)出現(xiàn)的，但后來的“恒星”黑洞則是在超大恒星的核心坍縮時(shí)形成的。不過，超大質(zhì)量黑洞被認(rèn)為是與它們所在的星系同時(shí)形成的。
大多數(shù)黑洞（如果不是所有的話）都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是它們?cè)谀负阈撬劳龊笏?jīng)歷的路徑。當(dāng)恒星的燃料耗盡時(shí)，發(fā)生的第一個(gè)過程是氫轉(zhuǎn)化為氦，然后當(dāng)氫耗盡時(shí)，氦進(jìn)一步燃燒并轉(zhuǎn)化為更重的元素。由于恒星核心的質(zhì)量很大，可以使坍縮過程無休止地進(jìn)行下去，最終形成密度高到無法想象的黑洞。
黑洞的大小范圍非常驚人！有些黑洞（微型黑洞）只有一個(gè)原子那么小，而有些則非常龐大，甚至可以一口吞噬整個(gè)星系，能夠?qū)⒋蠹s 100 萬顆恒星聚攏在一起。
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▲ 黑洞奇點(diǎn)的可視化圖像
這個(gè)問題乍看起來似乎很荒謬，有人會(huì)說，如果光都無法從黑洞中逃逸的話，我們?cè)趺纯赡芏ㄎ缓诙?？然而，通過仔細(xì)觀察黑洞的特征，科學(xué)家已經(jīng)有好幾種方法對(duì)它們進(jìn)行遠(yuǎn)距離精確定位。
第一種方法是密切關(guān)注黑洞的引力作用。任何黑洞都會(huì)導(dǎo)致鄰近的實(shí)體向它靠近，并環(huán)繞在黑洞周圍，最終落入稠密的單向路徑。雖然這個(gè)方法聽起來很簡單，但并不實(shí)用，因?yàn)樗诤艽蟪潭壬闲枰蕾囘\(yùn)氣。許多其他現(xiàn)象也會(huì)對(duì)恒星和行星產(chǎn)生類似的影響，因此這只是一種試驗(yàn)性的方法。
第二種方法包括尋找可能的 X 射線信號(hào)。當(dāng)物質(zhì)落入黑洞時(shí)，會(huì)聚集在一個(gè)密集的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中，就在事件視界處。在某些情況下，極高的能量會(huì)轉(zhuǎn)化為輻射釋放出來，使得尋找這些宇宙中的龐然大物成為可能。
宇宙中有多少個(gè)黑洞？
黑洞的密度會(huì)隨空間屬性的變化而變化，比如星系的類型，以及星系中發(fā)現(xiàn)的恒星類型等等。為了估計(jì)某個(gè)星系中黑洞的數(shù)量，我們需要對(duì)其中的塵埃和氣體形成進(jìn)行敏銳的觀察。相鄰兩個(gè)黑洞的行為很大程度上受到彼此引力的影響，這反過來限制了兩個(gè)黑洞之間的距離。
科學(xué)家估計(jì)，在可觀測宇宙中，在我們能感知的范圍內(nèi)，大約有 100 萬億個(gè)黑洞。這個(gè)數(shù)字看起來很大，但其中只有 100 到 200 個(gè)黑洞得到了準(zhǔn)確定位。
例如，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超大質(zhì)量黑洞和類星體如 1ES 2344+514、天爐座 A（Fornax A）的存在；HLX-1 是目前已知光度最高的超亮 X 射線源，被認(rèn)為是一個(gè)中等質(zhì)量黑洞；此外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了 GX 339-4/V821 Ara 等恒星黑洞。
除此之外，研究者還提出了黑洞系統(tǒng)的概念，它指的是在一定范圍內(nèi)存在不止一個(gè)黑洞。這些系統(tǒng)具有獨(dú)特的屬性，要么來自于系統(tǒng)中最大的黑洞，要么是所有黑洞屬性的綜合結(jié)果。
我們?nèi)绾喂烙?jì)黑洞的數(shù)量？
想要估計(jì)宇宙中黑洞的近似數(shù)量，第一步是根據(jù)某些特征（比如與某個(gè)星系或恒星的靠近程度）來劃分區(qū)域。通過觀察同一組屬性，并將其應(yīng)用于同一區(qū)域的不同點(diǎn)，就可以估算出平均的黑洞數(shù)量，這其中可以有 10 到 20 個(gè)黑洞的誤差。
下一步是尋找多個(gè)關(guān)鍵區(qū)域之間的相似性，并將黑洞歸類為超新星、類星體等。由于每一種類型的黑洞實(shí)體都具有非常截然不同的特征，因此在一定范圍內(nèi)找到更多相同類型的黑洞實(shí)體是可能的。
關(guān)于黑洞的研究一直在不斷擴(kuò)展。要理解黑洞所有的奧秘，可能需要許多人一生的時(shí)間。這是一場艱難的冒險(xiǎn)，但可以告訴我們更多關(guān)于宇宙未來和過去的信息?；蛟S只有時(shí)間才能證明科幻作品中所描繪的場景是否真實(shí)。
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