如果让你列举出几个最熟悉的科学家,估计爱因斯坦绝对是脱口而出的第一位;

如果再让你说出几个最熟悉最感兴趣的科学术语,想必黑洞一词的出场率绝对是在前三。
爱因斯坦实际上,黑洞这一宇宙天体,最早就是从广义相对论的框架中诞生的,也就是说它是被理论预言出的天体,而当时人们对黑洞是否真实存在还有很大争议,比如爱因斯坦本人,他最早是不承认这种怪异天体的。
人类首张黑洞照片但就在2019年4月10号,晚上9点,人类历史上首张直接拍摄的黑洞照片被公布了,要知道这个意义非同小可,如果说此前数十年黑洞的存在证据都是科学家们间接获得的,那么这次就是真的找到了一个黑洞,并且对它照了个相。
这无疑是人类天文史上一次重大的事件,也同时验证了百年前爱因斯坦提出的广义相对论的正确性,虽然此前所有关于广义相对论的验证无一例外都是成功的。
从历史上看,黑洞的萌芽应该是处于牛顿经典力学时代,英国天文学家米歇尔和法国物理学家都提到过一种被称为暗星的天体,或者说一种理论上可能存在天体。
这种天体的引起极强,甚至光子都无法从它的表面逃离(这一句描述和今天很多科普文章对黑洞的描述大同小异)。
暗星但我们要知道当时还处于牛顿力学体系,光被认为是由一个个小光子微粒组成,那么关于如何束缚光子,使其不能从暗星表面溜走,其思考计算过程和预测一块飞出去的石头轨迹并没有什么两样。
在这一点上,现在的高中理科生也完全有能力将相关公式推导出来,为此拉普拉斯还特地在他的著作《天体力学》中,写上了暗星的相关介绍。
不过因后来的双缝实验被大多数物理学家所承认,导致当时科学界认为光是波,而非微粒光子。
所以之前按照光微粒得到的暗星概念,也被大家很快遗忘。

当然啦,现在我们知道光有波粒二象性(这一点还是的感谢爱因斯坦),因此从光子角度也是正确的。
波粒二象性但这并不能使得当时的暗星概念再度复燃,因为需要加入相对论效应进去,毕竟当时在拉普拉斯等人的计算中,光子动能还是按照牛顿力学中的1/2mv^2进行处理的,而相对论动能公式和这个是不一致的。
黑洞的真正意义上的开始,是从爱因斯坦提出广义相对论后开始的,1915年广义相对论出世,1915年12月,德国物理学家史瓦西给出了其引力场方程的第一个精确解,它描述了一个球对称静止不自转物体的外部时空。
卡尔.史瓦西在黑洞科普文章中出场率最高的就属史瓦西黑洞了,还有个被称为史瓦西半径的术语,大家可以理解为黑洞的半径,在这个距离上,光线一旦涉足,那么久永远不能再飞出去(这和前几段描述的暗星大同小异)。
并且这个距离还有个名字,被称为事件视界(对于史瓦西黑洞来讲,史瓦西半径所勾勒出的表面就是它的事件视界)。
讲到这,我们会得出黑洞是不能发光的这一结论,那么这次人类拍摄的首次黑洞照片又是怎么回事?按理说不应该就是一团漆黑吗?那周围那一圈橘红色的光环又是啥呢?那是黑洞周边的吸积盘散发出的光,虽然黑洞不发光,但这并不能阻止黑洞外部对外进行热辐射吧?由于黑洞强大的引力,被吸引聚集的物质将会被挤压摩擦生热,只要还没进入事件视界,那么热辐射就能传播到外界,当然了,这种高频率的电磁波一般肉眼是不可见,但我们可以利用仪器进行观察拍摄。
这次直接拍摄的黑洞是来自M87星系 该星系是位于室女座的一个椭圆星系),它和地球之间的距离大约在5500万光年,也就说是,一束光需要耗费至少5500万年,才能从M87传播到地球,因此这次拍摄到的黑洞实际上是5500万年前的景象。
此外这颗黑洞的质量也是相当惊人,大约是太阳质量的65亿倍,因此其事件视界的尺寸也是相当恐怖的,半径大约是海王星平均轨道半径的四倍多,所以这个黑洞完全可以把我们整个太阳系包进去(以八大行星为边界)。
而人类所使用的相机则是分布在世界各地的八台射电望远镜(分布地分别为:南极、智利、美国、墨西哥、西班牙等),利用相关技术可以等效出一台口径差不多是地球直径的望远镜,对这颗远在5500万光年之外的黑洞拍了一张照片(并且要注意一点,这个黑洞照片并不是立即得到的,而是经过了两年的时间才分析处理出来的,也就是说黑洞的拍摄时间是2017年四月份,直到今年2019年四月才正式发布)。
恒星演化在理论上,我们说了黑洞的独特性质,那么在演化方面呢?它是凭空出现的吗?很显然,凭空出现是不可能的(量子力学先不谈),黑洞的出现一般都是从恒星演化而来。

而这个演化的关键就在于恒星的质量,恒星质量越大,那么演化后的天体就越恐怖。
以我们的太阳为例,它在衰老死亡后最终将变为白矮星(因为它的核心质量小于1.44倍太阳质量),而对于那些核心质量在1.44倍到3倍太阳质量之间的恒星,他们的衰老死亡后将变为中子星,质量再大的恒星就将成为黑洞。
霍金辐射最后还有一点没说,那就是著名的霍金辐射,是霍金教授在黑洞研究中最重要的成果之一。
在之前的讲述中,我们似乎把黑洞描述成了一个一毛不拔的铁公鸡,但实际上并不是这样。
黑洞的只是吝啬,你要它主要吐东西出来是不可能的,但在量子力学中,却有办法从外部悄无声息的偷点东西出来。
量子涨落在空间各处都机会发生,如果恰好发生在黑洞附近呢?虚粒子对在形成后,还未来得及湮灭,如果其中的一个负能粒子被黑洞吸入,那么另一个正能粒子就将逃离黑洞(这个过程被称为霍金辐射)。
而负能粒子进入黑洞后的体现,在外部观察中,就是黑洞的质量减少了,毕竟黑洞的无毛定理已经规定:对于一个黑洞,我们只能知晓它的质量、电荷和角动量等三个信息。
黑洞无毛定理本篇文章的内容到此结束。
谢谢各位阅读!以后还会不断更新精心准备的通俗科普长文本文由赛先生科普,欢迎关注,带你一起长知识!
声明:本文内容仅代表作者个人观点,与本站立场无关。
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?