【作者：黄姤】

天文学家在研究「黑洞」的过程中发现黑洞的性质其实跟其他天体相比是极其简单的，黑洞虽然看上去非常的神秘，但是真正要去描述它的话，只需要了解三个物理量：

• 第1个：黑洞的质量。
• 第2个：黑洞的角动量。
• 第3个：黑洞所携带的电荷。

除了经上3点之外不需要任何的物理量，比如太阳最终变成一个黑洞的话，那么它之前挟带的密度、温度、压强、化学元素组成等等这些因素会全部消息，只需要质量、角动量和电荷描述就足够了。

早在20世纪天文学家在讨论大质量恒星终结的时候，有两种不同的观点：

• 一种观点认为：大质量恒星死亡后的结局是有可能产生黑洞的，因为引力最终会占据主导的地位。
• 另一种观点认为：恒星的坍缩不会产生黑洞。

「爱因斯坦」是属于后一类观点的支持者，当然不管理论怎么喻言，答案都是要从观测里面去寻找存在与否的证据，这个证据就是「类星体·3C273」。

图解：「类星体·3C273」

第1次发现了来自于太阳系外的射电信号

在20世纪30年代有一位叫做「央斯基」的天文学家在「贝尔实验室」里工作，他的任务是调试一架望远镜，这架望远镜在研究长距离的无线电进行通讯的时候出现噪音问题，央斯基利用这架无线电望远镜进行了全天的无线电信号分析，他发现无线电通讯的噪音有不同的起源 ，有些是来自于雷暴，但是有一种起源让他觉得很困惑，因为这些噪音不是来自于地球上的，也不是地球附近的，而是来自于一个特别的区域，这个区域在银河系的中心的位置，所以央斯基实际上当时第1次发现了来自于太阳系外的射电信号，但是非常可惜的是央斯基的工作没有继续进行下去。

图解：央斯基利用这架无线电望远镜第1次发现了来自于太阳系外的射电信号

到了20世纪60年代，人们开始大规模地用射电望远镜去研究「河外天体」，其中有一颗非常著名的「类星体·3C273」，这颗类星体在射电波段的辐射非常强烈，在射电波段辐射的图像里它有一条非常长的喷流结构，当时的天文学家一直不知道这是一类什么样的天体，在光学图像所展示的形态跟恒星没有特别大的差别。

图解：左为「类星体·3C273」射电波段辐射图像，右为光学图像

于是天文学家开始去观察3C273的光谱，它的光谱也非常特别，在当时的实验室光谱里面找不到跟它对应的谱线，所以这就成了一个谜。直到有一天「施密特」突然发现3C273的光谱其实就是常见的氢原子的光谱，只不过这些光谱被整体地位移的一段距离，这个距离的位移量太大了，超出当时天文学家的想象达，位移量到了16%，正是因为这个巨大的位移量使得谱线完全偏离了它原来的位置，把这个位移量补偿进去之后它就和平通常的氢原子的光谱就完全一样了，所以利用「哈勃定律」施密特就可以根据谱线的位移量得到3C273的距离，这个距离达到了24亿光年，因此这是一颗特别遥远的天体，正因为距离太远了，这就意味着它的光度是非常高的，达到了5万亿倍的太阳光度，因此类星体是离我们极其遥远的一些河外星体。

图解：「类星体·3C273」光谱

更加特别的是天文学家在监测3C273的时候，发现它的辐射强度是在变化的，3C273的辐射强度是随着时间的推移而变化的，这就意味着产生这个辐射的区域是在几个光年内的，下面举例说说3C273辐射源的来源区域的推断。

推断辐射源大小的的办法

比如，某一个人在远处对你歌唱，那么你听到她的歌声只是她唱出来的歌声延迟，但是如果有几个人她们在同时歌唱，而这个时候由于每一个人跟你的距离是不一样的，所以她们唱出来的旋律，尽管从她们本人来看是同一时间歌唱的，但是进入到你耳朵的时候，她们的歌声很多会相互抵消，所以你听到的其实是杂音了，听不出来它里面所包含的旋律，这个原因就是辐射源或者说声源的大小所决定的。

3C273的光变与上面的例子类似，如果这个光源很小，那么这个时候接受到的光变就比较准确地反映了它原来光变信号的特征。如果这个光源它本身的尺度很大，在它的每一点所发出来的光，由于具有不同的位相，所以在到达探测器的时候它们往往会发生相互抵消的效果，于是这种光变的特征就难以表现出来了，这就是3C273所在的区域只限于几个光年内。

3C273的总光度达到了5万亿倍的太阳光度，但是它的辐射区只有几个光年，几个光年在星系里面是一个非常小尺寸，因为我们知道像银河系它的尺度达到了10万光年。

• 什么样的机制才能在小区域里面产生强烈的辐射？

引力势能释放是一种特别的渠道，并不像恒星坍缩那样以近似自由落体的方式来释放它的引力势能，在中心天体周围气体做螺旋式的运动从而形成了一个盘状的结构，这个结构称为「吸积盘」，当气体在盘里面快速转动的时候，它们之间会发生相互的摩擦，半径越小速度越快摩擦就越强所以温度就越高，这样释放出来的能量呢越高。

上面说到了3C273辐射区域只有几个光年，所以能够产生这么高光度的天体只能是一个大质量的黑洞，因为只有一个大质量的黑洞才能够满足它的大小小于几个光年，同时又能够产生这么强烈的辐射，因此人们对于黑洞的了解其实最早是从星系里面大质量黑洞开始的。后来才有了更加直接的、更加可靠的证据，而这个证据其实在银河系的中心就可以找到，在银河系中心通过观测恒星的运动，发现它们的运动其实受到一个力的支配，这个力所反映出来的质量达到了几百万倍太阳质量，而恒星运动的轨道非常小，与太阳系是相当的，如果在太阳系的大小的区域里面集中了几百万倍太阳质量的物质的话，那么它不可能是正常的恒星，所以唯一的可能就是它是一个超大质量的黑洞，这是目前为止在星系领域发现超大质量黑洞存在最有力的证据。

如何寻找「黑洞」？

文章开端时讲到天文学家在研究恒星演化的时候提出大质量的恒星演化坍缩的一种结局是形成黑洞，如果说这是对的话，那么这些黑洞在哪呢？怎么样去找到它们呢？

• 答案：通过双星系统里面利用黑洞对于伴星的影响来发现黑洞的踪迹。

虽然黑洞本身是不发光的，但是它和伴星的相互引力作用会使得伴星在做轨道运动的时候产生谱线变化，上文提到的谱线周期性的红移和蓝移现象，在双星系统里面绝大部分都是由两个正常恒星构成的，真正意义上由黑洞加上另外一颗恒星构成的双星系统是非常少的。

在星系的中心超大质量黑洞可以通过引力的方式来捕获、吸积周围的物质来产生辐射，在双星系统里面一个黑洞可以捕获物质，这个物质是来自于它的伴星，物质在接近黑洞的时候伴星的一部分物质在黑洞的引力下流向了黑洞，并且在它周围也形成了吸积盘，盘里的物质会发生摩擦从而产生辐射，因为黑洞的大小用史瓦西半径来表示，所以物质在接近黑洞的时候运动速度是非常高的，这就意味着它的温度可以达到上亿K，它所产生的辐射主要落在了X射线波段而不是在光线波段，寻找这些明亮的X射线源。

图解：黑洞吸积伴星的物质

（黄姤）总结：揭开黑洞的面纱

到目前为止在银河系里面利用这种办法探测的黑洞已经达到了几十个，当然这只是在银河系里所有黑洞的冰山一角，但是它证明大质量恒星死亡导致的坍缩过程确实会形成黑洞，而黑洞通过它和伴星之间的相互作用，使得它们表现为高能的辐射源。

图解：银河系里发现的一些黑洞

在最近几十年来，天文学家为了去研究黑洞以及跟黑洞相关的高能天体物理现象，发射了很多的空间卫星包括「钱德拉X射线天文台」、「XMM牛顿天文台」以及中国第1次发射的X射线望远镜「慧眼」。

除了在电磁波段去搜寻去研究黑洞之外，也有了一个新的方法就是引力波的探测，在2016年的2月，「激光干涉引力波天文台」第1次探测到了两个黑洞并合所产生的引力波，它们所产生的引力波信号本身就提供了黑洞的一些重要的信息，包括黑洞的质量和自转。

目前在两个不同的领域得到的黑洞质量的分布，通过X射线观测得到的黑洞质量分布，它们主要在几倍到十几倍太阳质量之间，由引力波探测到的黑洞以及它们闭合之后形成的新黑洞，其中有一部分黑洞的质量达到了30倍、40倍、50倍甚至达到了70倍以上太阳质量，所以说引力波的探测其实也打开了研究黑洞的一新窗口，黑洞的研究已经深刻地改变了我们的时空观和宇宙观，黑洞所反映的是时空弯曲的一种极端的表现，是引力的一种终极形式。

图解：紫色是X射线观测得到的黑洞，蓝色是引力波探测到的黑洞

【作者：天体生物学·黄姤】

【编辑：太空生物学·黄媂】

【旁述：余生】

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