黑洞不黑：吞噬一切的它，竟是宇宙中最耀眼的天体 | 科学世界·特辑

黑洞是奇特而神秘的天体。它曾仅被视为理论存在，但如今已被观测证实为真实存在。然而，随着观测不断深入，黑洞的谜团却愈发深邃：究竟是星系先形成，还是黑洞先形成？原初黑洞是否就是暗物质的真面目？此外，对黑洞的观测结果正促使学界重新审视既有的宇宙演化模型，相关讨论也在研究者之间持续展开。黑洞是否会引导我们通向崭新的物理学图景？请大家跟随小科的脚步一起来探索。

黑洞有多黑？比黑更黑

人们通常如何想象黑洞？许多人可能听说过：“黑洞是一种黑暗的天体，能吞噬一切，连光也无法逃脱。”由于连光都无法从事件视界逃逸，因此如果宇宙空间中存在黑洞，其视界将呈现出比世间任何黑色都更深的完全黑暗。

以事件视界为界，时空结构发生变化，任何物体一旦进入其内部便无法逃逸，只能不断坠向由天体坍缩而形成的中心奇点。由于光亦无法逃逸，因此该区域看上去一片漆黑。

曾被当成“空想”的天体

黑洞在理论上诞生的契机，源于阿尔伯特·爱因斯坦于1915年发表的广义相对论。这个理论指出，质量与能量会使周围的时空发生弯曲，而这种弯曲表现为引力。

20世纪30年代，科学家通过将量子力学与广义相对论相结合，在理论上指出大质量恒星在生命末期可能坍缩至无限小。然而，当时人们普遍认为这类天体仅是理论上的存在，并不相信它们真实存在于宇宙中。然而在20世纪60年代，天文学家发现了发出强烈X射线的天体——天鹅X-1，以及位于遥远宇宙中、释放巨大能量的类星体。到了20世纪七八十年代，这类活跃天体的真实身份逐渐揭晓，它们实际上就是黑洞。

2020年诺贝尔物理学奖授予3位在黑洞理论与观测方面取得重大成就的研究人员。在该奖项120年的历史中，这是首次将“黑洞”一词写入授奖理由。

卡尔 ·施瓦西（1873～1916）德国天体物理学家。在服役期间，求解了刚刚发表的广义相对论场方程，并将结果通过书信告知爱因斯坦。1916年，他的论文由爱因斯坦代为提交发表，然而4个月后，便因病去世。

反转：它是宇宙最亮的天体

但黑洞本身完全不发光，因此即使质量达到太阳的数百万倍甚至数百亿倍，若孤立地存在于宇宙中，也很难被观察到。然而，如果黑洞与普通恒星组成双星，或其周围存在大量可作为“食物”的恒星和气体，情况又会如何呢？被黑洞引力吸引过来的物质，会在事件视界外侧形成吸积盘和喷流，并发出明亮的光芒。事实上，迄今为止发现的大多数黑洞，与我们通常所认为的“漆黑一片”的印象恰恰相反，其周围结构反而会释放出强烈的能量，是宇宙中最明亮的天体。

当黑洞周围存在大量恒星和气体等物质时，被吸入的物质会围绕黑洞高速旋转，形成吸积盘。吸积盘中的气体会因摩擦加热到数百万乃至数十亿摄氏度，并强烈辐射X射线等电磁波。此外，在黑洞的自转轴方向上，气体会以高速喷流的形式喷射而出。从地球观测，这些吸积盘与喷流极为明亮。

吸积盘是高温等离子体（由电子和离子组成）形成的旋涡。越靠近中心区域，气体的温度越高。

把太阳压成3千米、地球压成9毫米

黑洞源于物质被压缩至超高密度后的引力坍缩。通常认为，若将一个具有特定质量的天体压缩至其对应的施瓦西半径（即视界半径）以下，便会形成黑洞。例如，太阳的施瓦西半径仅为约3千米。这意味着，如果将太阳压缩至半径小于3千米，其周围便会形成完全黑暗的事件视界，从而成为黑洞。地球的施瓦西半径约为9毫米。

恒星在核聚变燃料耗尽后开始引力坍缩。质量超过太阳8倍的大质量恒星在经历超新星爆发的同时，其超高密度的核心会形成中子星，以对抗引力，从而终结演化历程。质量超过太阳30倍的恒星即使形成中子星也无法对抗引力，会持续坍缩，最终形成黑洞。

黑洞真容揭晓！“黑暗”周围有什么？

2019年，国际观测项目“事件视界望远镜”（EHT）成功拍摄到位于室女座超星系团（M87）中心的超大质量黑洞的阴影（黑洞阴影，black hole shadow）。黑洞阴影（中心暗区）的形成源于黑洞吞噬光线且阻止其逃逸的特性。周围的光环，是由环绕黑洞的高温等离子体发出的光，在黑洞引力作用下发生弯曲而形成的。这意味着，人们能观测分辨出尺度为数倍施瓦西半径的结构细节。2022年，EHT成功捕捉到银河系中心超大质量黑洞——人马座A*的黑洞阴影。

此外，2023年，科研团队主要依托由全球多地射电望远镜组成的观测网络——全球毫米波VLBI阵列（GMVA），成功拍摄到M87黑洞的喷流及疑似吸积盘的结构。过去约十年时间，事件视界附近的结构终于开始进入观测视野。

这是位于银河系中心的黑洞人马A*的黑洞阴影图像，于2022年由EHT发布。图像呈现了光子在事件视界附近绕行形成的光子环。据分析，事件视界的半径约为光子环直径的五分之一。

黑洞中心的“奇点”究竟是什么？为什么说它已超出当前物理学的处理范围？

旋转的黑洞，为什么能把周围的时空拖拽着转？

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