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科学家称黑洞有“头发” 或挑战爱因斯坦相对论

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-07-30

  天鹅座X-1的艺术家概念图显示了黑洞吸引伴星的物质进入炙热的旋转盘里。

  美国太空网报道,近日科学家称宇宙引力怪兽黑洞可能并非光头。

这项研究作为对黑洞传统模型的挑战,提出黑洞可能是"多毛的",它具有比之前预想的更复杂的特征。

黑洞的引力如此强大以至于光也无法逃脱它的拖拽,这使得这个超级密集的天体对外界观察者来说是不可见的,几乎无法与其它黑洞相区别。

  "传统的概念认为黑洞是非常简单的天体,可以用三个特征完全定义:它们的质量,它们的角动量(旋转速度有多快)和它们所带的电荷,"里雅斯特国际高级研究所的托马斯·索蒂里欧(Thomas Sotiriou)这样说道。

  然而,黑洞所带的电量往往小到可以忽略,所以研究人员一般在描述黑洞时都会忽略这一参数。

50年前编造出"黑洞"术语的天文学家约翰·惠勒(John Wheeler)的著名论调便是"黑洞没有头发",因为它极其简单。

现在,"头发"变成物理学家们的通俗用语,用于指代传统三特性模型以外用于描述黑洞的额外特征。

  在研究中,索蒂里欧和同事观察了标量-张量引力理论方程式背景下的黑洞。

"这些理论与爱因斯坦的广义相对论有所不同,他们从时空的曲率方面描述了引力场,并预测了黑洞的存在。

然而,它们还包含了不同类型的场——标量场,后者会参与调节引力相互作用。

" 索蒂里欧说道。

  研究人员发现,当普通物质包围黑洞时,它们便会长出标量"头发"。

"这在标准模型里是不会发生的," 索蒂里欧说道。

至于这些标量"头发"是否会导致黑洞与传统模型里描述的有所差异,目前还不清楚。

利用现有的科技是否能够观察到这种效应,现在也仍是未知数,索蒂里欧解释道。

银河系中心藏着一个黑洞,为什么年轻恒星还敢靠近?

一颗恒星绕着一片黑暗跑,跑到最近的地方,速度能达到每秒几千公里。

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。

韦伯看见早期宇宙里的大星系,真的把理论推翻了吗?

如果给一个刚上幼儿园的孩子拍照,照片里却站着一个两米高的成年人,你的第一反应会是什么?年龄记错了,照片认错了,还是他真的长得太快?韦伯望远镜看向早期宇宙时,天文学家遇到了有点相似的麻烦:一些遥远目标,亮得让人怀疑它们是不是来得太早、长得太大。

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?

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