黑洞：宇宙帶給人類的奇妙信物

近日，一個國際科學家團隊通過分析高新激光干涉儀引力波天文臺（Advanced LIGO）獲得的觀測數據，發現了迄今最大的黑洞合并事件，這次黑洞合并成了一個約為太陽80倍大小的新黑洞，也是迄今距離地球最遠的黑洞合并。 這一次的黑洞合并事件發生在2017年7月29日，距我們約90億光年。

2014年年底，電影《星際穿越》火遍全球。電影講述了一位宇航員在面臨地球災難、人類即將滅絕的時候，去宇宙深空探索，找到幫助人類建立第二家園的方法，最后成功將人類送到太空的故事。

電影《星際穿越》涉及很多天體物理方面的知識，比如黑洞、引力波等等。這些概念非常抽象，不同的人對于黑洞可能有完全不一樣的看法。在藝術家、導演眼中，會描繪黑洞襲擊撕裂另外一個天體的圖畫；有的物理學家更是賦予黑洞更多非常神奇的想象，在黑洞的最中心有可能是另外一個時空，或者通往平行宇宙的快速通道入口。

什么是黑洞？

黑洞仿佛是宇宙中最調皮的孩子。黑洞的行為、對周圍物質的影響、背后的物理學原理，比任何科幻小說都更離奇古怪和令人費解。黑洞是引力非常強的天體，要理解黑洞的話，先要了解一下關于引力的知識。17世紀中葉，物理學家牛頓發現宇宙當中萬物之間存在著一種吸引力，他認為引力是質量導致的，還計算出了萬有引力公式。

所以科學家就想象，如果宇宙當中某種天體致密到一定程度，從天體上發出來的光就逃脫不出去了。這個想法在18世紀的時候，法國數學家拉普拉斯就已經提出來，當時對于光的速度并不特別了解，所以僅僅是個概念，具體計算，一直等到近代對于光速有精確的測量以后才得到。

牛頓理論可以解釋許多天體運動，但是也存在一些小問題，比如說水星的運動軌跡，跟預測的會發生一定偏差。1915年，愛因斯坦提出對引力全新的認識——廣義相對論。他認為引力不是質量直接導致的，而是質量導致時空的變形反映出來的一種效應。比如一張二維平面的薄膜，放上不同質量、密度的天體以后，會導致薄膜不同的變形，質量大的會導致變形程度更大一點，小一點的相應變形程度就會小一點。

不同的天體密度是完全不一樣的，一些致密的天體，比如中子星或者黑洞，會把薄膜拉伸得到一個類似“深井”的東西。這叫做視界，物體要想從視界當中爬出來就要耗費更多的能量。當視界深到一定程度的時候，連光線或者說光子也很難跑出來。愛因斯坦的廣義相對論預言了“黑洞”的存在——當時還不叫“黑洞”，某些大質量恒星會終結為一個時空發生極度扭曲的區域。

在提出廣義相對論的幾個月后，德國科學家史瓦西，得到愛因斯坦方程的第一個黑洞數學解。將物體的逃逸速度設為光速，配合萬有引力常數及天體質量，便能計算出一個叫做史瓦西半徑的數值，小于史瓦西半徑的物體被稱為黑洞。比如地球變成類似黑洞天體的話，得把半徑約為6400公里地球壓縮到大約半徑是9毫米，直徑是1.8厘米左右。1.8厘米到底是多大？對應的是約人民幣1分錢硬幣大小。

黑洞的誕生

現在大量的觀測已經表明，宇宙當中有很多黑洞。在上個世紀60年代的時候，美國為登月做準備，發射一系列探空火箭進行觀測。在進行X射線觀測的時候，偶然發現一個奇怪天體，它位于天鵝座當中，是在X波段觀測到的第一個此類現象，所以稱之為天鵝座X-1。它距地球大約7800多光年，質量是15個太陽質量，后來確定這是一個黑洞。

根據質量的不同，黑洞可以分為兩大類。一類是恒星量級的黑洞，介于10多個太陽質量但是小于100個太陽質量；還有另外一類叫做超大質量黑洞，相當于大約上百萬個太陽，有可能是幾十億個，甚至上百億個。比如在銀河系中心，就存在一個大約400多萬個太陽質量的超大黑洞。按照理論上的推算，在銀河系當中應該有上億個恒星量級的黑洞，但到目前為止，我們僅發現了不到20個恒星量級的黑洞。

黑洞不會發出任何的光，那科學家又是怎么知道黑洞存在的呢？原來，黑洞有一個圍繞自身轉動的氣體盤，并且有一些從黑洞附近噴射出來的氣體物質，在天文學當中叫作“噴流”。正是因為氣體盤、噴流會產生輻射，所以人們才能夠“看到”黑洞。要注意的是，黑洞“噴流”不是吸到黑洞里然后再噴出來的，而是氣體還沒有掉入到黑洞之前，從黑洞附近、沿著黑洞轉動的方向噴出來的。

一般來說，質量大約為幾十個太陽質量的恒星在死亡后會塌縮成黑洞。這是因為恒星內部有熱核反應，它本身能夠支撐自身的重量，但是當熱核用完的時候，就不能支撐重量了，就會形成黑洞。小質量黑洞慢慢碰撞、合并，然后再通過長時間吸積周圍氣體，最終變成超大質量的黑洞。

黑洞結構與“無毛定理”

當人類觀測某個物體的時候，必須要通過一定的媒介，通常這個媒介就是光。所以當光不能傳播的時候，我們很難看清。同理，當觀測黑洞的時候，因為光都不能傳播出來，看到的就只能是一個黑色的區域。而且，從各個方向去看黑洞的時候，都不能看到它，所以黑洞應該是一個黑的球體。

那么，黑洞的物理結構是什么樣的？黑洞由3部分構成，第一部分叫作“視界面”。在視界面之內，任何物體包括光都不能逃逸出來，但這個視界面僅僅是一個虛擬界面，并不是實實在在的球體。顧名思義，視界面代表視線可以看到的最遠的界面，再到里面根本就看不到了。

想象一下，一個宇航員突然掉到視界面以內，宇航員跟視界面之外的人就沒法交流了。因為目前交流信號手段通常用無線電波，無線電波也是光速傳播；但是在黑洞視界面之內的物質，只有速度大于光速才有可能逃離出來。無線電波的速度等于光速，所以無線電波也逃離不出去。一旦一個人掉進去視界面以后，自然就跟外面完全隔離開來了。

黑洞視界面球體中心上，還存在一個叫作“奇點”的東西。人類對于奇點的認識是不斷變化的，在最開始愛因斯坦相對論出現以后，認為奇點就是一個質量無窮大，但又沒有體積或者體積特別小的天體，黑洞的幾乎所有質量都集中在這個點上。

隨著量子引力的出現，科學家意識到，奇點有可能是有一定體積，但還是特別小。那么，奇點是什么形狀的呢？它有可能是一個所謂量子泡沫的東西，就像現實生活中看到的肥皂泡一樣。奇點上有好多類似的泡沫，但這些量子泡沫是由許許多多的彎曲空間所構成的。構成黑洞的第三部分就是史瓦西半徑，它定義了黑洞的大小。

黑洞的結構非常簡單，當然它也可以用很簡單的3個物理量——質量、轉動和電荷來描述。因為只有3個量，所以通常稱之為“三毛定理”，有的時候為了簡單，就稱之為“無毛定理”。

目前已知的大部分黑洞知識都是在20世紀六七十年代完成的，惠勒、索恩、霍金等是這一黃金時期的代表人物。例如在之前的理解當中，黑洞沒有任何輻射，因為不存在任何的光線；但是霍金研究出黑洞還是會有微弱的輻射，現在我們就把這種輻射稱之為霍金輻射。

黑洞周圍的神奇效果

那么黑洞看起來是一種什么樣的圖像？在電影《星際穿越》當中展現了令人震撼的一幕——黑洞以及周圍的吸積盤。但是你會看到這個黑洞不是對稱的圓形，周圍的水平方向有吸積盤，上下還有一個圓環，這是為什么呢？

這涉及引力透鏡的效應，黑洞密度很大，對時空扭曲非常嚴重。在這種情況之下，從黑洞后面吸積盤之上所發出來的光線，就會沿著彎曲路線到達觀測者的眼中。觀測的話，就會看到兩個所謂類似于海市蜃樓的圓環，所以上下兩個圓環其實反映的是黑洞后面吸積盤的樣子。

▲黑洞引力透鏡效應示意圖

黑洞還有一些非常神奇的效應，比如黑洞周圍的時間會變得非常慢，這是廣義相對論當中的自然推論。因為時間和空間在一定程度上是等效的，所以在空間被扭曲的同時時間也被拉長，時間被拉長以后就相當于變慢了。在電影《星際穿越》當中，男女主人公等人飛到米勒星球，在星球上待了大約3個小時，但是等他們回到飛船母艦的時候，母艦上的宇航員告訴男女主人公自己已經等待了20多年。

這是為什么？因為米勒星球位于黑洞周圍，其所在的時空已被極端扭曲。當人類站在黑洞周圍星球之上的時候，時間也相應變慢。但是注意一點，比如說某人能存活60歲，在米勒星球上就可以生存好幾百年嗎？當然不會，因為這個人的所處時間是相對其他地方變慢，但是個人壽命時間是不變的。

黑洞與引力波的探測

在對單個黑洞的研究趨向成熟之際，黑洞研究熱點逐漸轉向了雙黑洞合并及其產生的引力波，這也是伴隨著計算機的成熟而逐漸發展起來的。在1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，1916年史瓦西推出了引力波的解，但是一直等待了差不多100年的時間，在2015年的時候，人類才真正直接探測到引力波。所以科學的研究從理論提出到最后證實，期間需要無數科學家夜以繼日的辛勤付出。

古老遙遠的黑洞又像宇宙的信使，通過引力波從遠方帶給我們有關宇宙的信息。引力波也被稱為時空的漣漪，其類似于水里所看到的波紋。不過引力波傳播的介質不是水，而是時間和空間構成的一種薄膜。

首次探測到引力波的是美國激光干涉引力波天文臺（LIGO），整個過程僅僅持續大約0.2秒。科學家通過分析波形，最終判斷產生這次引力波的波源是兩個互相繞轉的黑洞，一個質量為36倍太陽質量，另一個是29倍的太陽質量，最終合并成63倍太陽質量的黑洞。

在遙遠的宇宙中，兩個質量約為太陽質量30倍的黑洞旋轉舞蹈。它們一開始緩慢地圍繞彼此旋轉，同時逐漸靠近對方。隨著黑洞彼此越來越近，旋轉的速度也隨之加快，最終，它們“擁抱”合并在了一起。緩慢的旋轉可能持續長達十幾億年之久，而在最后的幾毫秒里，它們向茫茫宇宙發出了最后的“吶喊”。

這個黑洞大約距離地球13億光年。也就是說當兩個黑洞在合并的時候，地球上單細胞生物才剛剛出現不久。這個引力波經歷了非常長時間的旅程，最終被人類所發明的LIGO設備探測到。

▲美國引力波激光天文臺LIGO首次探測到的黑洞合并產生的引力波相關數據

引力波的直接探測，不斷地改變著人類對宇宙天體的認識，還為人類探索宇宙打開了一個全新的窗口。通過引力波，科學家們發現了一些前所未見的現象。比如能夠產生引力波的天體系統都非常大，之前通過傳統望遠鏡所探測到的黑洞質量都是比較小的，但是通過引力波所探測到黑洞的質量都非常大，所以引力波為人們尋找恒星量級的巨大黑洞提供了一種新方式。

從愛因斯坦相對論到霍金輻射，再到黑洞碰撞產生引力波，物理學家們用創造性的思想和實驗方法，將黑洞的奧秘娓娓道來。黑洞就如同宇宙帶給人類的一件奇妙的信物，不斷勾起科學家的好奇心，引領我們在探索中繼續前進。期待引力波和電磁波的聯合能夠給人類認識這個宇宙帶來更多的發現。■

（本文整理自12月2日“不知道研究所”第3站活動茍利軍演講，文字已經本人審核，圖片來自演講PPT）