宇宙“怪兽”

今年4月10日21时是一个具有历史意义的时刻，一个超大质量黑洞在全球多地首次展示真容，以一张“写真”定格了自己的真实存在。我们有幸成为第一批“看见”黑洞的人类。

黑洞是一种很奇异的天体，如同“怪兽”一般，可以吞噬临近区域的任何物质，即使是光，也无法逃脱它的引力束缚。它怎么这么霸道？它到底黑不黑？它是如何形成的？人类是如何拍到它的？……关于黑洞的“十万个为什么”，你们应该都很好奇吧？小编来为你们解答。

黑洞不是洞

黑洞不是洞，而是一种质量极大的天体，像个“无底洞”，具有超强引力，可吞噬周围的气体、尘埃，乃至临近的恒星系和較小的黑洞，连光也无法逃脱。超强引力帮助黑洞以极其暴力的方式“跑马圈地”，宣告自己的“势力范围”。

根据质量，天文学家将黑洞分为三类：恒星级质量黑洞、超大质量黑洞和中等质量黑洞。

1970年，美国“自由号”人造卫星发现天鹅座X-1上一个比太阳重30多倍的巨大蓝色星球被一个看不见的物体牵引着。这个物体被学界认作是人类发现的第一个黑洞。

之后越来越多的黑洞被发现。2017年12月，美国卡耐基科学研究所的科学家发现了有史以来最遥远的超大质量黑洞，它的质量是太阳的8亿倍。

目前，人类在银河系已经发现近20个恒星级质量黑洞，而银河系中预计共有1000万个黑洞。我国科学家还在坚持不懈地努力利用我国的重大科学装置郭守敬望远镜去发现银河系中更多的黑洞。

黑洞的“前世今生”

黑洞的形成与恒星塌陷有关。

黑洞最初其实是一颗衰老的巨大恒星，有资格成为黑洞的恒星质量要达到太阳的数十倍。恒星发光发热靠的是内部的核聚变，但恒星中心的“燃料”毕竟有限，也会耗尽，当恒星内部能量不足，无法支撑外壳的重量时，在外壳重压之下，恒星内核开始塌缩。最终，所有物质缩成一个体积无限小而密度超大的点，这便是奇点。

奇点质量极大，而体积极小，会形成强大引力场，看起来像一个黑色的“势力范围”，吸收周围物质，就连光也会被吸进去，这个“势力范围”被称作黑洞的半径或事件视界。至此，黑洞已经诞生。刚诞生的“婴儿黑洞”如饥似渴，将体积较小的恒星的气体撕扯到自己身边，然后吞噬掉。

黑洞存在的证据

人类在看到黑洞真容前，怎么知道黑洞是真实存在的呢？科学家们通过多个间接的证据来证明黑洞的存在，其中包括三类代表性证据。

一、恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有超强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，科学家可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在，比如观察喷流。当黑洞吸积气体较多时，一部分气体沿着磁场运动，高速喷射强能量物质，这就是喷流。

二、黑洞在吸积物质时会发出一定的光，科学家据此来判断黑洞的存在。在黑洞强引力的作用下，周围的气体会向黑洞下落，在距离黑洞几百事件视界至几万倍事件视界的地方形成发光的环状圆盘——吸积盘。如果某种天体相对于普通星系来说小得多，但每秒钟能释放出巨大的能量，而且发光，那科学家推断它很可能是黑洞。

三、通过一定的设备“看到”黑洞成长的过程，从而推导黑洞的存在。激光干涉引力波天文台探测的引力波都对应了恒星级质量黑洞的并合事件，见证了更小的黑洞借助并合成长为更大黑洞的过程。这类引力波的发现，是我们推断黑洞存在的证据之一。

1978年，卢米涅给出了黑洞事件视界的第一幅图像。这不是一张真正的照片，而是他利用数学知识和相关技术以及20世纪60年代的一台IBM 7040穿孔卡片计算机对黑洞景象进行的电脑模拟。

利用电脑模拟产生的数据，卢米涅用钢笔和印度墨水在底片上描绘黑洞，整个过程就像在打印。这幅模糊的图像展示了观察者靠得足够近时看到的一个扁平盘内物质坠入黑洞的景象。

这些证据都是间接的，而证实黑洞存在最有说服力的莫过于直接视觉证据，那就是黑洞的第一张照片。

人类拍下的这张照片主角是位于室女座一个超大质量星系M87中心的黑洞，它距离地球5500万光年。照片中，黑色圆影的中央“隐藏”着黑洞的真身，圆影外侧新月形的光环是黑洞周围气体发出的光。所以，准确地说，首张黑洞“写真”是黑洞的轮廓。

拍黑洞非易事

黑洞不发光，人类想要拍到它并不是一件易事。给黑洞拍照，科学家们遇到了黑洞阴影“小”、观测波段技术要求极高、数据处理复杂三座难以逾越的“大山”。面对这些难点，他们发挥超强智慧，想到了不少应对的妙招。

首先，为了解决黑洞阴影“小”的问题，科学家们需要在众多黑洞中找到最适合拍照的那一个，同时还要提高望远镜的实力——口径超乎想象、灵敏度足够高。

从地球上看，黑洞阴影和周围环绕的新月般光环是非常小的，在拍照设备能力有限的情况下，要想拍摄到黑洞照片，科学家必须找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为拍摄对象。

黑洞事件视界的大小与其质量成正比，黑洞质量越大，其事件视界越大，结合距离因素，邻近地球的超大质量黑洞是黑洞成像候选体。位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*和星系M87中心的黑洞便是两个好“模特”。

自伽利略发明望远镜以来，科技水平的飞速发展使得望远镜的口径越来越大、“分工”越来越细，但要给黑洞拍照，依靠现有任何单个天文望远镜远远不够。于是，科学家将分布全球的8个射电望远镜组成一个虚拟望远镜阵列，这相当于一台口径为地球直径的超级望远镜。

由于灵敏度要求高，拍摄对天气条件要求也苛刻，8个射电望远镜分布在降雨量极少、晴天概率大的高海拔地区，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。这些望远镜的分辨率相当于能在黑龙江漠河阅读南沙群岛上的一张报纸。

其次，黑洞周围气体在1毫米附近的辐射强度最大，而且最关键的是，在黑洞附近1毫米有个比较干净的观测窗口，被同步自吸收的作用会大大减弱，黑洞周围气体的辐射也会变得透明，所以还要实现高技术观测波段。为了保证射电望远镜的天线在观测波段内正常观测，科学家们突破了天线技术上的一个门槛，大大提高了加工精度。

此外，“洗”照片也不易。人们需要对射电望远镜记录的海量数据进行复杂的后期处理和分析，才能获得最终的黑洞图像。即使现在人类的运算能力非常强大，也还是需要近两年时间才能把黑洞的照片“冲洗”出来。

虽然黑洞的第一张照片没有人们想象的那么清晰，但这是人类拍摄黑洞走出的第一步。今后，人类将拍出细节更丰富、角度更多样的黑洞照片，走进黑洞的世界，开展系统的“黑洞普查”，揭开黑洞更多的秘密。

有些黑洞很“挑食”

一些黑洞是贪婪的吸食者，吸入大量气体和灰尘等，而一些黑洞则很“挑食”。

位于银河系中央的人马座A*似乎就很挑食，尽管其质量是太阳质量的400万倍，但它的吸积盘却出人意料地暗淡，由气体、弥散物质等组成，远远看去就像一个扁平的盘子。

M87星系中的黑洞则是一个贪婪的“食客”，其质量约为太阳质量的65亿倍。它不仅拥有非常明亮的吸积盘，还喷射出明亮、快速的带电亚原子粒子流，这一粒子流延伸约5000光年。

同样是超大质量黑洞，为什么“贪吃”的程度差别如此巨大？

科学家说原因是不同星系核心的环境不一样。有的星系中心由于受到诸如星系碰撞过程等的扰动，气体沉积到中心黑洞附近，为黑洞提供了丰富的食物，所以黑洞可以大快朵颐;而有的星系中心区域比较平稳，只有少量气体能够到达黑洞附近，使得黑洞不得不浅斟慢酌。

吃多了也会“吐”

告诉你哦，黑洞吃多了也会“吐”。

2017年，科学家发现在离地球2000多万光年的地方，一個星系中央的超大质量黑洞 “消化不良”，打着“饱嗝”向星际空间喷出了一大堆物质。这个星系为NGC 5195，它有一个同伴NGC 5194，两者由引力束缚在一起。它们附近有两个X射线弧，据称这是NGC 5195星系中央的黑洞“打嗝”形成的。

由英国曼彻斯特大学科学家领导的一个小组根据英国e-MERLIN射电望远镜阵列拍到的高清图像，结合美国的哈勃望远镜、钱德拉X射线天文台和甚大阵列射电望远镜等的观测结果，研究了黑洞“打嗝”喷发物质的细节。

包括银河系在内，几乎所有星系中央都有一个超大质量的黑洞，吸引吞噬周边物质。NGC 5195中央的黑洞质量相当于太阳质量的1900万倍，这一星系跌入涡状星系怀抱，与后者的外旋臂融合，导致大量物质向NGC 5195的中央黑洞跌落。

这些物质高速旋转落入黑洞，在黑洞周围形成吸积盘。填鸭式的“喂食”使吸积盘大到一定程度，这时黑洞无法继续有效吞噬物质，导致“消化不良”，吸积盘破裂。此时，强烈冲击波产生，将物质推向星际空间，其中电子以接近光速传播，与星际空间的气体和尘埃相互作用，发出射电波。冲击波随即像吹泡泡一样使气体和尘埃加热膨胀，发出X射线，并从氢气上剥离电子形成离子氢，产生X射线弧。

黑洞只可远观

尽管人们对黑洞的热情高涨，但其只可远观，否则后果很严重。简单来说，如果你和黑洞靠得太近，你就会就像意大利面一样被拉长，这一现象有个极富创意的名称——“意大利面条效应”。之所以会产生这种效应，是因为人体各处受到的引力不一样。

如果你两脚朝下飞向黑洞，由于你的脚离黑洞更近，它受到的引力比头部受到的引力要大。糟糕的是，由于胳膊不是位于身体中心，它们被拉长的方向与头部的朝向稍有不同，你身体的边缘部位会向内聚集，最后的结果是，你的身体不仅被拉长了，还变细了。因此，还没等你抵达黑洞中心，你就早早地变成了一根“意大利面条”。

有关黑洞的传言

有人说黑洞是黑色的，有人说黑洞会吞噬地球，有人说黑洞很大很大。这些说法是对的吗？

传言一：黑洞大到没边。

事实：黑洞只是很重，但体积小。

在多数人的想象中，黑洞之大超出了人类对于大尺寸数量级的直观认知，但其实，黑洞只是质量和密度超乎想象地大，而体积比较小。比如，这次人类拍到的黑洞——超大质量星系M87中心黑洞质量约为太阳质量的65亿倍，属于超大质量黑洞，但体积比较小，小到内部几乎没有空隙。如果太阳被压缩到一个半径非常小的空间内，那可以改名叫“黑洞”了。

传言二：黑洞很黑。

事实：外面黑，里面也许不黑。

斯蒂芬·霍金曾推断黑洞并没有想象的那么黑。

从这次拍摄的黑洞照片上看，黑洞的势力范围内的确漆黑一片，但是势力范围中心那个质量超大、体积超小的天体到底什么颜色，照片上看不清楚。

传言三：黑洞会吞噬地球。

事实：地球不会被黑洞吞噬。

黑洞只会对它附近的一些天体产生非常强的破坏作用，地球距离它非常遥远，所以不会被吞噬。

我们目前发现的银河系中的黑洞其实都距离地球非常遥远，距离地球最近的一个黑洞大约在地球3400光年外。

传言四：黑洞与黑洞会发生碰撞。

事实：黑洞会与黑洞碰撞。

黑洞与黑洞的确会发生碰撞，这是一个非常壮观的现象。2015年，科学家就利用引力波探测器发现13亿光年外的两个黑洞碰撞时所产生的引力波。黑洞合并不会产生非常壮观的电磁波现象，但是会释放大量的能量扰动时空，产生引力波效应。