人类确定黑洞确实存在的8种方法

黑洞想象图

黑洞听起来像科幻小说里的东西，但是我们有相当多的证据证实它们确实存在。

在天文学中所有奇怪的概念中，黑洞可能是最神秘的一个。在一片宇宙空间区域内，物质竟被如此紧密地包裹，以至于没有任何物质，甚至光本身也无法逃脱。这些黑暗的庞大天体给人类带来了无比的恐惧，因为已知所有物理规则都在黑洞面前无解，人们也就很容易将黑洞视为科幻小说中题材。不过，有大量的证据，不管是直接的还是间接的，都证明黑洞确实存在于宇宙中。

1.爱因斯坦的“坚定预测”

黑洞是爱因斯坦广义相对论的必然结果(图片来源于网络)

作为一种理论上的可能性，卡尔·施瓦茨柴尔德在1916年就预言了黑洞，他发现黑洞存在是广义相对论必然结果。换句话说，如果爱因斯坦的理论是正确的，那么所有证据都表明，黑洞必须存在。在那之后，彭罗斯和霍金的研究将这一理论夯实，他们指出，任何天体坍缩成黑洞，都会形成奇点，而传统的物理定律也会失效。现在，这一理论已经被广泛接受，彭罗斯本人在2020年也被授予诺贝尔物理学奖。

2.伽马射线暴

黑洞诞生时会出现伽马射线爆发(图片来源于网络)

上个世纪30年代，印度天体物理学家钱德拉塞卡，正在研究当恒星耗尽所有燃料后会发生什么。最终的结果发现，这要取决于恒星的质量大小，如果恒星质量足够大，比如说有20个太阳质量，那么它的致密核心(大约有3-4倍太阳质量)会一直塌缩并形成黑洞。核心坍缩的速度非常快，在短短几秒钟内，同时会释放出大量的能量，形成伽马射线爆，爆发的能量相当于恒星一生所辐射的能量。地球上的望远镜已经多次探测到了这样的伽马射线爆，其中一些来自数十亿光年之外的星系，所以说我们实际上看到是黑洞的诞生。

3.引力波

引力波想象图(图片来源于网络)

黑洞并不一定会单独存在，有时它们成对出现，彼此围绕着旋转。当它们相互运动时，相互之间的引力作用就会产生时空涟漪，最终以引力波的形式向外传播，这也是相对论的另外一种预测。自从人类有了像激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)这样的设备，我们就有能力探测到这些引力波。其中第一项发现涉及两个黑洞的合并，早在2016年就公布了这一结果，此后又有了更多的发现。随着侦测灵敏度的提高，除了黑洞合并之外，还可以探测更多“波”事件，比如发生在离地球6.5亿至15亿光年之外，黑洞与中子星之间的碰撞。

4.隐形同伴

HR6819三星系统想象图(图片来源于网络)

黑洞产生短暂伽马射线爆和引力波是可见的，但在大部分时间里，黑洞本质上几乎是无法被探测到。实际上，黑洞没有发出任何光线或其他辐射，这意味着它们可能就潜伏在我们的附近，而我们却没有意识到。不过，有一种方法可以探测到这类黑暗巨兽，那就是观察它们对其他恒星施加引力效应。通过观察一对普通双星系统(后来称之为HR6819)的轨道时，天文学家发现这两颗恒星的奇怪行为，只有假设还有第三颗看不见的星(黑洞)才能解释它们的运动规律。当科学家计算出这颗星的质量至少是太阳的四倍时，研究人员意识到只剩下一种可能性了，它必须是一个黑洞。它同时也是银河系内距离地球最近的黑洞，只有一千光年的距离。

5.X射线照

天鹅座x1黑洞正在吸食蓝色伴星的物质

关于黑洞的第一个观测证据出现在1971年，这也是来自我们银河系中的一对双星系统。这个命名为天鹅座X-1的系统产生了宇宙中最亮的X射线。射线不是从黑洞发出的，也不是从拥有33倍太阳质量的巨大伴星发出的。实际上，物质不断地从这颗巨大的恒星上被撕扯下来，并拖入黑洞周围的吸积盘中，X射线就是从这个吸积盘发出的。就像HR 6819那样，天文学家可以观测到的恒星运动来预估这个看不见的天体质量。最新的计算结果显示，这个黑暗天体拥有21个太阳质量，在一个如此小的空间里，它只能是一个黑洞。

6.超大质量黑洞

银河系中心黑洞(图片来源于网络)

除了恒星坍缩产生黑洞以外，有证据表明，自宇宙早期，拥有百万甚至数十亿太阳质量的超大质量黑洞就一直存在星系中心。在这些所谓的活跃星系中，超大质量黑洞的证据是惊人的，星系中心的黑洞被吸积盘所包围，在所有波长下都产生强烈辐射。人类也有证据表明在我们自己的星系中心有一个超大质量黑洞，因为我们发现银河中心区域的恒星都飞快地围绕着一个体积非常小但是质量非常大的天体旋转，速度甚至达到了光速的8%。目前的估计，银河系中心黑洞大约有400万个太阳质量。

7.意面化

宇航员被拉成了面条(图片来源于网络)

另一种黑洞存在的证据是意面化，之所以这么叫就是形象的使用了意大利面这个单词，因为物质会被黑洞巨大引力拉成细面条(上图)。幸运的是，这不太可能发生在你我身上，但这很可能是一颗恒星的归宿，如果它离一个超大质量的黑洞太近的话。在2020年10月，天文学家目睹了这种意面化，或者至少说看到了倒霉恒星被撕碎时发出的光芒。不过不用担心，这种意面化并没有发生在地球附近，而是发生在一个距离地球2.15亿光年之外的星系中。

8.直接拍照

事件视界望远镜拍摄的M87黑洞(图片来源于网络)

目前为止，我们已经介绍了大量黑洞存在的间接证据：从辐射到引力波，或是黑洞对其他天体的引力效应，这些现象都不是科学已知天体能够产生的。但是最具说服力的证据出现在2019年4月，它就是著名的M87星系中心的超大质量黑洞的照片。这张令人叹为观止的照片是由事件视界望远镜拍摄的，这个望远镜名字听着有点怪，因为它是由散布在世界各地的大型望远镜组成，而不是一台望远镜。能够参与的望远镜数量越多，之间距离越远，最终的图像质量就会越好。当然这张照片已经清楚地显示了65亿倍太阳质量黑洞和周围橙色吸积盘。