
黑洞会吸收周围的一切,包括光线,而且从没有物质能够逃脱。
近日,NASA竟然观察到"逃出"了黑洞的光线,难道黑洞的无敌神话被打破了吗,这是怎么回事呢?
美国宇航局核频谱望远镜阵列已经观测到超大质量黑洞周围罕见的X射线致密光源,位于黑洞附近,科学家将其称为X射线光冕,这是在黑洞周围出现的极端事件。
如图中所示,艺术家绘制了超大质量黑洞周围的辐射环境,强烈的X射线将黑洞周围的时空照得通明,这种辐射来自黑洞周围的吸积盘,科学家将系统命名为Mrk335,但其实际的形状到目前为止仍然不是非常清晰。
来自英国剑桥天文学研究所科学家迈克尔·帕克认为在黑洞的引力作用下,所有光线都被引导向黑洞周围的吸积盘上,一些物质则以螺旋状落入黑洞之中,由于光冕的位置较为靠近黑洞,在黑洞的引力作用下,X射线的行为变得非常怪异,似乎与引力之间产生了拉锯战,结果形成了罕见拉伸状的X射线,虽然这样的事件此前已经被观察过,但从来没有看到如此极端的X射线扭曲现象,而且X射线的细节比此前更加清楚。
超大质量黑洞被认为存在于几乎所有的星系中央附近,有些黑洞的质量更大、旋转速度也比其他黑洞要快得多,本次观测到的黑洞极端行为位于飞马座方向上,距离我们大约3.24亿光年,该黑洞的致密程度相当于将1000万倍的太阳质量集中在30倍太阳直径的空间中,由于其自转速度极快,周围的时空也被拖拽,形成了极端的黑洞周围空间环境。
美国宇航局核频谱望远镜阵列通过观测发现,尽管一些光会落入黑洞之中,无法逃脱黑洞的引力控制,但是黑洞仍然可辐射出高能量的"光",其主要来自光冕和周围被加速至接近光速的物质,虽然科学家不确定光冕的形状和温度,但我们已经知道这些物质粒子的运行速度接近光速。
NASA的"雨燕"探测器已经对Mrk335系统监视了多年,最近发现其X射电亮度出现了有趣的变化,其高能X射线位于3至79千电子伏,这个特殊的能量区间为天文学家提供了较好的观测时机,可以了解到黑洞事件视界边缘所发生的现象,核频谱望远镜阵列的观测表明,Mrk335黑洞系统光冕区所发出的"光"被黑洞的引力拉回,并投射到致密的物质盘,就好像有人用手电筒照亮了黑洞周围。
关于黑洞人们还有很多的误解,下面小编总结了一下关于黑洞的是个真相,快看看你以前对黑洞是不是也误解了?
1.黑洞源自恒星
黑洞最常见的出生地位于大质量恒星的核心。
它在耗尽氢燃料之后就会坍缩,坍缩会释放出激波,将恒星的外部包层炸飞,变成一颗超新星。
因此,当恒星的外部在向外爆发的时候,它的核心却在向内坍缩。
当核心坍缩时,引力就会增大。
如果核心的质量足够大(大约3个太阳质量),引力就会变得非常强,使得坍缩核心表面的逃逸速度超过光速。
这就意味着没有任何东西能逃离这个天体,即便光也不行,所以它是黑的。
在黑洞周围有一个区域,其中的逃逸速度等于光速,该区域被称为视界。
任何发生在视界之内的事件都永远无法被视界之外的人看到。
这就是宇宙漏斗的成因。
2.是尺寸令黑洞如此异禀
和通常所想象的不同,黑洞拥有如此怪异特性的原因并不在于它的质量有多大(毕竟比黑洞质量大的天体有的是),而在与它的体积有多小。
也就是说,只有巨大的质量被塞入一个非常小的体积内之后,才能制造出黑洞。
那么,到底要多小呢?假设太阳的质量不变,如果要把它变成一个黑洞,那么它的半径就要缩小232,000倍到3千米。
有意思的是,在你把太阳"挤压"成一个黑洞的时候,其外部的引力效应并不会发生改变。
也就是说,当你蒙上地球的双眼,她全然不会察觉牵动她运动的是太阳还是黑洞。
唯一发生变化的地方在已经变成黑洞的太阳的内部和附近。
3.黑洞内部并非无穷小
黑洞的视界将它的内部与我们可见的宇宙隔绝了开。
对于一个由恒星坍缩而来的黑洞而言,在这些恒星物质身上究竟发生了什么?
回答是,我们也许永远也搞不清楚。
由于视界的存在,我们无法看到这些坍缩的物质,因为它们所发出的光无法到达我们(黑洞是一个连光都无法逃逸的地方)。

不过物理学和数学可以帮助我们,即使它们位于视界的内部。
这些物质会继续坍缩,而引力则会继续增强。
越来越小,越来越小,最终它们会坍缩成一个没有维度的几何点。
很多书上都这么写,但事情却并不是这样。
坍缩的物质会小于一个原子、一个原子核、一个电子,最终抵达"普朗克长度"的大小。
在量子力学中,普朗克长度是一个尺度上的极限。
对于一个小于这一极限的物体,我们将无法确知它的信息。
确切的物理学很复杂,但是即便你能穿透视界进入黑洞内部,只要坍缩的物质达到了这个尺度,你就无法测量它的确切大小。
那么普朗克长度有多小?非常非常小:10-35米。
4.黑洞绝对不是管道状
对于某个物体而言,你所感受到的它的引力取决于两个因素:这个物体的质量和它到你的距离。
这意味着,只要到某个物体的距离相同,不同的人所感受到的引力是相同的。
如果把所有这些引力相同的点串联起来,就能得到一个引力体位于其中心的球面。
黑洞视界的大小取决于引力,因此视界是一个包裹着黑洞的球面。
如果你有办法从外面看到视界,它看上去会像是一个黑色的球面。
有些人把黑洞想象成一个圈或者是管道状的。
"管道"是在解释引力对空间的弯曲中经常所用的图释,这时坍缩的3维空间被简化成了2维空间。
空间被想象成了一张床单,大质量天体对空间的弯曲就和把一个保龄球放在床单上的效果一样。
但空间不是2维,是3维的(如果算上时间就是4维的),因此这个解释就会让人们对黑洞视界的形状产生误解。
5.黑洞会转动
听上去有点奇怪,不过黑洞确实会转动。
恒星会自转,它的核心也会转动。
当恒星的核心坍缩地越来越小时,它的自转就会越来越快。
这就像花样滑冰运动员通过收回张开的手臂来加快自身的转速一样。
如果核的质量不足以形成黑洞,它就会形成一颗直径只有几千米的中子星。
目前已经发现了数百颗中子星,它们自转的速度非常快,有时甚至可以达到每秒钟100圈。
黑洞也是如此。
即便恒星的核心已经收缩到小于视界的大小并且永远和外部的宇宙失去了联系,但它却仍然在转动。
问题来了,转动的离心力会使得这些物质无法坍缩到普朗克长度吗?虽然其中的数学计算极为冗长,但回答是肯定的。
不过我们永远也无法看到这一切,因为它们发生在视界的内部。
6.黑洞附近事情会变得诡异
黑洞会扭曲时空结构。
而如果黑洞拥有自转的话,静止黑洞的球形视界就会被破坏。
这会在视界之外产生一个被称为能层的椭球形区域。
如果你处于能层和视界之间的话,你会发现你无法静止了。
事实上,这个时候空间会被黑洞拖曳着运动。

你可以很容易地沿着黑洞转动的方向运动,但如果你想悬停,那将是不可能的任务。
而在能层的内部,空间运动的速度会超过光速!按照爱因斯坦的相对论,虽然物质不可能运动得如此之快,但空间本身却可以。
7.黑洞并不总是黑的
很少有物质会直接掉入黑洞进而消失。
稍有偏差,它们就会绕着黑洞转动。
随着物质的增多,它们就会在黑洞周围聚集起来。
由于在转动,这些物质会形成一个围绕黑洞高速转动的盘,加之黑洞的引力随着距离会变化,因此靠近黑洞的物质其运动的速度要远远超出外围的。
这一运动速度上的不一致就会产生剧烈的摩擦,从而使得物质被加热到数百万度的高温,于是黑洞附近的物质就会发出极为明亮的辐射。
更糟糕的是,磁场会驱动物质从中心向垂直于盘的两侧喷出。
这两条喷流的发源地就在黑洞的外围,但在几百万甚至数十亿光年之外都能被看见。
连光都无法逃逸的黑洞却通过吞噬物质成为了宇宙中最明亮的天体。
8.黑洞会变大
当两个黑洞碰撞的时候会发生什么?它们会形成一个更大的黑洞。
类似地,黑洞吞食其他物质也会长大。
在早期宇宙中当星系正在形成时,婴儿星系核心处的物质会坍缩成一个质量极大的黑洞。
随着越来越多的物质掉入其中,黑洞会贪婪地消化它们进而生长。
最终它会长成一个超大质量黑洞,质量达到太阳的数百万甚至数十亿倍。
不过,就像刚才说的,掉入黑洞的物质会被加热到极高的温度。
由此所发出的辐射会把物质向外推,阻止它们下落。
随着时间的流逝,停留在黑洞周围的气体和尘埃会形成恒星。
但相比于气体,恒星远没有那么容易掉入黑洞。
最终由于没有更多的物质落入黑洞,它便停止了生长。
今天,在银河系的中心就有这么一个超大质量黑洞。
它的质量是太阳的400万倍,距离太阳26,000光年。
9.黑洞的密度可以堪比空气
对很多人来说,这是非常奇怪且有意思的一点。
随着质量的增大,黑洞的视界也会变大。
物理法则告诉我们,黑洞视界的半径和它的质量呈正比。
也就是说,如果黑洞的质量增大到原来的2倍,其视界的半径也会增大2倍,它的体积则会增大8倍(前面说了视界是个球面)。
我们知道,密度表征了某个给定体积内包含了多少质量的物质。
好了,魔术开始了。
拿一个普通的黑洞,它的质量通常为太阳的3倍,视界的半径为9千米,此时它的密度为每立方厘米2千万亿克。
但如果你把它的质量翻一倍,其密度就会减少到原来的1/4;质量增大10倍,密度就会减少100倍。
对于一个在星系团中常见的、10亿个太阳质量的超大质量黑洞而言,它的密度只有每立方厘米0.001克,和地球上的空气密度一样。
它没有撞上一颗更亮的星,也没有突然消失,而是拐过弯,继续绕圈。
天文学家盯着它看了多年,终于算出那片看不见的区域里,挤着相当于四百多万个太阳的质量。
我们所在的银河系,心脏处藏着一个黑洞。
事情到这里,本来已经足够惊人。
但镜头再往周围拉一点,你会发现另一个麻烦:黑洞附近竟然有一群年轻恒星。
那里的引力差异能扯散气体云,按简单的想法,造一颗新星应该很困难。
它们却明晃晃地待在那里。
这个最不适合安家的地方,怎么偏偏住进了一群年轻住户? 先别急着把飞船开过去。
银河系中心距离我们约两万六千光年,望远镜接收到的光,出发时人类还没有今天的城市。
而且,挡在路上的气体和尘埃很多,用普通可见光去看,就像隔着一层层烟找一盏灯。
肉眼能看见银河横过夜空,却没法直接看清那个最关键的中心。
科学家换了办法:用红外线穿过部分尘埃,再用更大的望远镜、更精细的技术,压低大气扰动带来的模糊。
原来挤成一团的光点,逐渐分出了各自的位置。
隔一段时间拍一次,再把照片连起来,星星就动了。
你以为恒星都钉在天上,只是因为平时离它们太远,看不到这种快进后的舞蹈。
其中一颗著名的恒星叫S2,绕中心一圈大约需要十六年。
它的路线不是一个漂亮的正圆,而是一条很扁的椭圆:远处慢一点,贴近中心时猛然加速,再冲向远处。
我们熟悉的行星也有类似规律,只不过这颗星面前的引力来源,比太阳强得多,而且大部分看不见。
这正是证据最硬的地方。
无需先拍到黑洞,恒星怎么运动,就能帮助我们给中心称重。
轨道的大小、周期和速度合起来,限定了那里必须有多大的质量;多颗恒星的运动又相互印证。
质量这么大,范围又这么小,用一堆普通恒星勉强凑出来,会遇到稳定性和观测上的难题。
2022年,事件视界望远镜合作组织公布了银河系中心黑洞的图像。
它叫人马座A星,名字里的“星”是历史命名的一部分,别把它当成一颗正常发光的恒星。
照片中那个偏橙色的环,也不是黑洞表面被烧红了。
我们看到的是周围炽热物质的辐射,以及强引力作用下形成的亮暗结构。
中间的暗区与黑洞阴影有关。
掉进事件视界以内的光无法再出来,周围的光路还会被弯曲,最后形成我们能接收到的图像。
颜色经过了科学可视化处理,橙色不是它在眼睛里本来就会呈现的样子。
但这不妨碍它成为一张重要的实测图:天文学家终于把恒星轨道和中心附近的影像,对到了一起。
既然它这么重,为什么没有把整个银河系一口吃掉?因为黑洞不会隔着两万多光年,像吸尘器一样把一切吸过去。
远离它的地方,引力仍按距离衰减。
假如把太阳换成一个质量相同的黑洞,地球的轨道并不会因此立刻崩溃,只是阳光没了。
当然,真实的银河系中心黑洞质量远大于太阳。
更重要的是,太阳绕银河系运行,受到的不仅是中心黑洞的引力,还有恒星、气体以及暗物质等共同构成的引力场。
把整座银河理解成一个黑洞牵着所有星星转,会漏掉绝大多数质量。
人马座A星在自己附近非常有统治力,放到整个银河的尺度上,却不能包办所有事情。
现在再回到那些年轻恒星。
麻烦不在于“靠近黑洞的星一定会被吃掉”,稳定轨道上的恒星可以长时间生存。
真正难的是它们怎样形成。
造恒星需要气体聚集,越聚越密,最后塌缩。
但黑洞附近,气体云两端受到的引力可能差很多,一边被拽得更快,一边跟不上,云就容易被拉散。
这有点像你想把一把细沙堆成小塔,桌子却一直从两个方向拉扯。
沙塔不是绝对堆不成,但原先那套轻松的办法,未必还管用。
科学家因此把问题称作银河系中心的“年轻恒星悖论”。
这里的悖论,不是自然违反了物理规律,而是观测给出了结果,我们还得解释过程。
一种思路是,它们可能在较远、比较有利的环境里出生,之后通过动力学过程走近中心。
另一种思路是,足够密集的气体盘在特定条件下,也可能抵抗拉扯并形成恒星。
还有涉及双星的机制:两颗相互绕行的恒星靠近黑洞,可能被拆散,一颗被甩走,另一颗留在紧靠黑洞的轨道上。
这些方案都不能只凭一句“也许”就算过关。
它们要解释恒星的年龄、质量、轨道方向和分布,解释为什么有些星像组成了一张盘,有些星的路线又显得杂乱。
每多测准一条轨道,就多一道必须通过的检查。
不同区域、不同群体,也未必都来自同一条出生路线。
中心附近还有气体、尘埃、磁场和偶尔增强的辐射,并非一片什么都没有的黑色空地。
黑洞吃进去的物质不总是很多,却会发生亮度变化。
想象你隔着很远拍一只不断晃动的动物,每次快门里的细节都变了,就能理解为什么给它做成清晰图像,比拍一个固定目标费劲得多。
恒星的运动,还能让这里变成检验引力理论的现场。
S2接近黑洞时,光谱会出现与强引力和高速运动有关的变化;它的轨道方向也会缓慢转动,画出来像逐次展开的花瓣。
这些观测与广义相对论的预言相符。
看起来奇怪的动作,反而给我们提供了计算能不能对上现实的机会。
所以,听到“银河系中心不对劲”,先别把它理解成那里开了宇宙传送门。
一个看不见的重物、一群不容易解释出生过程的年轻星,再加上快速变化的气体,已经足够让天文学家忙上几十年。
研究里的悬念,可以很大,但不需要拿外星文明或时空裂缝给它加戏。
而且,我们此刻看到的是那个区域很久以前的样子。
这个距离决定了任何新信息都要花很长时间才能抵达。
它不是窗外正在发生的一场爆炸,也没有证据表明中心黑洞即将沿着银河冲向地球。
它让人紧张的,是尺度和环境;让科学家着迷的,是我们真的能把这些东西一点点量出来。
如果未来真能站在一艘安全的观测飞船上,从远处望向那里,最先让你惊讶的未必是黑。
周围的恒星会很拥挤,气体在不同波段下呈现复杂结构,最深处的目标却依然不能直接发光。
危险与热闹挤在同一个地方,恒星还在沿着各自的路线赶路,丝毫没有给我们的直觉留面子。
银河系中心最有意思的秘密,就藏在这种反差里:一个黑洞已经被多条证据确认,一群年轻恒星的来历仍值得追问。
S2每绕完一圈,都替我们补上几笔答案。
夜空里那些看似静止的小点,其实正在最极端的引力场旁边跑。
我们暂时去不了,却已经能听懂它们脚步里的信息。
于是,“宇宙模型错了”“大爆炸被推翻”这样的标题迅速出现。
一张深空照片,仿佛把几代人的理论同时掀了桌。
可是,如果你把那些小小的红色亮点放大,最关键的问题才刚开始:我们看到的光,到底由谁发出来?这处答案的差别,足以改变一整个星系的“体重”。
韦伯擅长观察红外光。
宇宙膨胀会拉长遥远天体发出的光的波长,原本较短波长的光,抵达我们时可能已经进入红外范围。
它能够帮助人类观察很早的星系,看到恒星与黑洞成长初期留下的光。
那里不是今天的现场,而是经过漫长旅程,终于到达望远镜的旧画面。
早期宇宙的麻烦,是时间不太够用。
气体要聚集,恒星要形成,小系统要成长,有时还要经历合并。
如果在宇宙诞生仅几亿年后的画面里,就出现许多看起来十分庞大的星系,研究人员当然会追问:已有的成长模型是否把某些过程算慢了?或者我们估计它们质量的方法,有没有偏差? 注意照片并不会直接显示质量。
望远镜接收到光,研究人员再结合距离、光谱与恒星模型,估计目标拥有多少恒星。
这个过程有点像夜里远看一栋楼,通过亮着的窗户估计住了多少人。
你得知道窗户平均有多亮,也得判断有没有一盏特别强的探照灯,把整栋楼照得比实际更热闹。
早期星系里的恒星,未必与附近星系的恒星具有相同年龄分布。
年轻的大质量恒星很亮,少量这样的恒星就能贡献许多光;尘埃又会改变不同波段的亮度。
即便确实来自恒星,怎样把光换算成质量,仍需要谨慎。
看起来很亮,可以是星很多,也可以是某些星特别能发光。
那盏“探照灯”还有一个更惊人的候选者:正在吞吃物质的黑洞。
黑洞自身不把内部的光送出来,但周围落入的气体会在复杂运动中变热并释放强烈辐射。
如果一部分亮光来自这种过程,却都被算成恒星发出的光,星系中的恒星质量就可能被高估,像把舞台灯也算成了观众。
韦伯发现的一类紧凑红色目标,被称为“小红点”。
这个名字几乎没有替它们做解释,只是把观测到的样子记下来。
它们很小、很红,有些光谱里还出现宽阔的氢谱线,提示发光气体有很大的运动速度。
正在吸积的黑洞,是解释部分目标的重要方向,但整类对象的性质仍有争论。
所以,把一张图里每一个红点都叫“过于巨大的星系”,会过早给它们定身份。
研究人员需要继续测光谱,查看不同波长的特征,比较黑洞、气体、恒星各自可能贡献多少。
第一张照片给的是线索,后续测量才逐渐拆开线索里混在一起的东西。
这也解释了为什么新闻里的结论会变化。
2024年,一项对韦伯早期星系的研究就强调,部分目标的光可能受到黑洞贡献影响,剔除这种干扰后,某些原先夸大的恒星质量可以降下来。
它没有让所有问题消失,却说明一个很现实的反转:所谓“宇宙没时间造出它”,有时可能是我们一开始把它估得太重了。
但别马上走到另一个极端,说这些发现原来只是误会。
即使修正了部分质量,早期星系为什么如此明亮、恒星形成效率怎样、黑洞为什么那么早成长起来,依然需要研究。
韦伯带来的价值,恰恰是让这些问题有了更详细的证据。
原本模糊的远方,现在终于能提出更尖锐的问题了。
这里还藏着一个层级差别。
宇宙学模型描述宇宙整体怎样膨胀、物质成分如何影响大尺度演化;星系形成模型则要处理气体冷却、恒星形成以及能量反馈。
后一层里某些参数需要修改,并不自动意味着前一层已经崩塌。
厨房里的烤箱温度估错了,不能立刻证明整栋楼的建筑图是假的。
当然,整体模型也不是不可挑战的。
假如大量独立观测持续出现无法解释的矛盾,就需要认真检查基础假设。
但要达到这一步,得排除测量偏差、目标识别错误和模型中的普通不确定性。
一个诱人的候选体,或者一篇刚出来的分析,还不足以替所有证据宣布最后结局。
远方目标的距离也需要核实。
几种滤镜中的颜色可以帮助挑选很遥远的候选星系,却可能被较近的尘埃丰富目标混淆。
光谱能提供更可靠的红移信息。
因此,你看到“最远候选星系”时,要留意候选两个字;完成进一步确认以后,才更适合拿它的年龄去检验宇宙成长的速度。
已经确认的早期星系同样令人吃惊。
例如韦伯对JADES-GS-z14-0的光谱观测,显示我们看到的是大爆炸后约2.9亿年的它。
这个具体例子告诉人类,很早的宇宙已经能形成明亮星系。
它不必被包装成“当天推翻全部理论”,也足以让研究人员重新琢磨气体如何快速变成恒星。
还有些研究,正在探索被浓密气体包围的黑洞,是否能解释部分小红点的表现。
听起来像科幻的“黑洞星”,在这里指的是一类模型解释,不是已经给每个红点确定了户口。
不同模型要接受光谱等观测的检验,哪一项能同时解释更多特征,哪一项才更有说服力。
对普通读者来说,这种一步步修正往往没有“理论全错”那么痛快。
可真实的探索就发生在这里:同一束光中到底包含多少恒星,多少发热气体,目标究竟多远?每答对一个问题,宇宙的历史就少一点模糊。
被修改的数值,是更接近真实的代价,不是科学不许承认的丢脸现场。
你还可以做一个小小的阅读检查。
新闻说“过于庞大”,究竟指尺寸大,还是推断的恒星质量高?说“太早出现”,距离有没有光谱确认?说“模型解释不了”,是哪个模型、哪组假设?这几个问题一问,许多看起来气势汹汹的标题,就会恢复成一项具体研究本来的样子。
目前,韦伯的早期星系观测正在推动对星系与黑洞形成的研究,不能据此断言大爆炸已被推翻。
未来也可能出现迫使我们进一步改理论的新证据,没有人能提前把门关上。
但改多少、改哪一层,应该由可重复的观测决定,不能由一张照片配上的惊叹号决定。
那张深空照片依然值得多看一会儿。
画面里的小亮点,有些把我们带到宇宙刚开始形成星系的年代。
人类第一次看清它们,就发现以前设想的成长过程可能还不够完整。
最让人想继续追下去的,其实是这个尚未结束的故事:在那么年轻的宇宙里,究竟是谁先把灯打开了?