什么是黑洞

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爱因斯坦

黑洞是一种天体，其引力如此之大，以至于没有任何东西，甚至光，都无法逃脱它。黑洞的“表面”，称为事件视界，定义了逃逸所需速度超过光速的边界，这是宇宙的速度极限。物质和辐射落入，却出不去。两大类黑洞已被广泛观察到。质量是太阳质量的三到几十倍的恒星质量黑洞遍布整个银河系，而在包括我们在内的大多数大星系的中心都发现了重达 100,000 到数十亿个太阳质量的超大质量黑洞。天文学家长期以来一直怀疑存在一种称为中等质量黑洞的介于两者之间的黑洞，其质量相当于 100 到 10,000 多个太阳质量。虽然已经通过间接证据确定了少数候选人，但迄今为止最有说服力的例子出现在 2019 年 5 月 21 日，当时美国国家科学基金会的激光干涉引力波天文台 (LIGO)位于路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德，探测到来自两个恒星质量黑洞合并的引力波。这个被称为 GW190521 的事件导致了一个重达 142 个太阳的黑洞。当恒星质量超过 20 个太阳质量的恒星耗尽其核心的核燃料并在自重作用下坍塌时，就会形成一个恒星质量的黑洞。坍塌引发了超新星爆炸，炸毁了恒星的外层。但是，如果被压碎的核心包含太阳质量的三倍以上，则任何已知的力量都无法阻止它坍缩成黑洞。人们对超大质量黑洞的起源知之甚少，但我们知道它们在星系生命的最早期就存在。一旦诞生，黑洞就可以通过吸积落入其中的物质来成长，包括从邻近恒星甚至其他黑洞中剥离的气体。2019 年，天文学家使用事件视界望远镜 (EHT) ——一项国际合作项目，将八个地面射电望远镜联网成一个地球大小的碟形天线——首次捕捉到了黑洞的图像。它看起来像一个黑色圆圈，由一个热的、发光的物质环绕的圆盘勾勒出轮廓。这个超大质量黑洞位于一个名为 M87 的星系的中心，距离我们大约 5500 万光年，质量超过 60 亿个太阳质量。它的事件视界延伸到如此远，它可以涵盖我们太阳系的大部分区域，甚至远远超出行星。

黑洞的第一张照片是使用事件视界望远镜对星系 M87 中心的观测拍摄的。该图像显示了一个明亮的环，因为光线在一个质量为太阳 65 亿倍的黑洞周围的强烈引力中弯曲。

另一个与黑洞有关的重要发现出现在 2015 年，当时科学家们首次探测到引力波，这是一个世纪前阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预测的时空结构中的涟漪。LIGO 探测到来自一个名为 GW150914 的事件的波，其中两个绕轨道运行的黑洞在 13 亿年前相互盘旋并合并。从那时起，LIGO 和其他设施通过它们产生的引力波观察到了无数黑洞合并。这些都是令人兴奋的新方法，但几十年来，天文学家一直在通过黑洞发出的各种形式的光来研究黑洞。尽管光无法逃离黑洞的事件视界，但其附近巨大的潮汐力会使附近的物质加热到数百万度，并发出无线电波和 X 射线。一些轨道甚至更接近事件视界的物质可能会被抛出，形成以接近光速运动的粒子射流，发射无线电、X 射线和伽马射线。来自超大质量黑洞的喷流可以向太空延伸数十万光年。