神秘的黑洞神秘的黑洞

神秘的黑洞

黑洞（black hole）是宇宙中最神奇和最迷人的物体之一。黑洞的质量是如此之大，它产生的引力场是如此之强，以致于任何物质都无法逃逸，就连传播速度最快的光（电磁波）也不例外。

1916年，爱因斯坦在其广义相对论中首次预测了黑洞的存在，“黑洞”一词则是在1967年由美国天文学家约翰·惠勒提出，而第一个黑洞被发现于1971年。

1.黑洞的类型

黑洞可以分为四种类型：微型黑洞、恒星黑洞、中等质量黑洞和超重黑洞。

微型黑洞

微型黑洞又称为量子黑洞，是一种很小的黑洞。其被称为量子黑洞，是因为在这个尺度之下，量子力学的效应扮演非常重要的角色。这些量子层级的原始黑洞有可能是在早期的宇宙（或者大爆炸时期）里面高密度的环境，或者是在随后的相变里面被产生出来的。在不远的未来，通过因霍金辐射效应所散射出的粒子，天文物理学家可能会观测到这些黑洞。

另外，微型黑洞的产生有可能是在大型强子对撞机内就可以观测到的重要现象。

欧洲大型强子对撞机。

恒星黑洞

当一颗恒星在期生命周期的末期，燃料即将耗尽时，它将会出现引力坍塌。对于较小的恒星（质量约为太阳的三倍），坍塌后的新核将形成一个中子星或白矮星。但是，当一颗更大的恒星坍塌时，它将继续压缩直至形成一个黑洞。

质量达太阳10倍的黑洞之电脑模拟图。

这些黑洞由某些恒星的坍塌形成，相对来说比较小，但却是令人难以置信的致密。这是些把三倍于太阳质量甚至更大的物体压缩成一个城市大小的怪物。这将会使其对周围的物体产生无比巨大的引力。黑洞不断吞噬来自星系周围的尘埃和气体，从而慢慢长大。

据哈佛-史密森天体物理中心介绍，银河系至少存在几亿个恒星黑洞。

中等质量黑洞

中等质量黑洞是质量超过恒星黑洞（数十倍太阳质量），但远小于超重黑洞（数百万倍太阳质量）的一种黑洞。

科学家曾经认为黑洞只会诞生于小尺寸和大尺寸，但最近的研究表明，可能存在中型黑洞（IMBH）。这类天体可能形成于恒星在反应链中发生密集的碰撞。在同一区域形成的几个中型黑洞，最终可能共同落在星系中心形成超重黑洞。

2014年，天文学家在一个螺旋星系的悬臂上发现了一个中等质量黑洞。

“天文学家们一直在艰难地寻找这些中等质量黑洞。”英国杜汉姆大学的罗伯茨在一份声明中说，“有迹象表明他们的存在，但IMBH却像是失散多年的亲戚，毫无被发现的欲望。”

超重黑洞

恒星黑洞只是普通地存在于宇宙中，但是它们的大哥——超大质量黑洞则是主宰。超大质量黑洞的质量高达太阳的数百万甚至数十亿倍。这样的黑洞被存在于许多星系的中心，包括银河系。

一个新生的超重黑洞。

科学家们无法确定如此大的黑洞是如何产生的。超重黑洞一旦形成，就可以轻而易举地吸收周围的尘埃和气体等大量物质，这些物质在星系的中心是相当丰富的，这使超重黑洞能进一步成长到巨型尺寸。

超重质量黑洞可能由成百上千个小型黑洞汇集而成。也可能是大型气体云坍塌并迅速吸积质量形成。第三种可能是一整个星团的坍塌，一群恒星压缩成了一个超重黑洞。

2.如何观测黑洞

黑洞的质量极其巨大，但其体积却很小，这意味着它们周围会产生极端强大的引力。几乎没有任何东西能从它们身上逃脱，即使是光线也会被黑洞困住。

既然连光都无法逃离黑洞，那么又如何来对黑洞进行观测？科学家们无法用观测其他天体的方式来“看到”它们，而是要通过灰尘和气体被吸入黑洞的过程中产生的辐射来进行判断。

黑洞喷射X射线。

比如，位于双星系统中的黑洞，来自另一方星球的气团会不断流入黑洞，骤然激起高温，这时产生的X射线闪光等会发亮，这样人类就可以间接地发现黑洞存在了。而对于位于星系的中心超重黑洞来说，由于它们位于星系中心，可能会被周围厚厚的气体和尘埃笼罩，从而阻碍射线的喷射。

天鹅座X-1（简称Cyg X-1）是一个银河系内位于天鹅座的双星系统，是著名的X射线源。它在1964年的一次火箭弹道飞行时被发现，是从地球观测到的最强的X射线源之一：其顶峰X射线通量为2.3×10−23 Wm−2Hz−1。天鹅座X-1是最先被广泛承认为黑洞的候选星体，也是同类星体中最受关注的。

这张天鹅座X-1的X射线照片由高能复层式可见光天文望远镜（HERO）经气球升空拍摄。

3.黑洞的构成

黑洞主要由奇点和事件视界构成。

艺术家笔下的黑洞。

奇点其实就是空间中的一个点，该点几乎聚集了黑洞的所有质量。而事件视界则是黑洞的边界。事件视界以外的观察者无法利用任何物理方法获得事件视界以内的任何事件的信息，也无法受到事件视界以内的事件的影响。事件视界是造成黑洞之所以被称为黑洞的根本原因，是黑洞的最外层边界，在此边界内连光都无法逃脱。 2012年7月，天文学家在距地球超过50亿光年远的地方发现编号为3C 279的类星体，其内包含了一个质量高达十亿倍太阳质量的黑洞，这成为首个“事件视界”被观测存在的直接证据。

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神秘的宇宙黑洞，窥探它们的秘密，我们又近了一步！

百万光年长的绝地光剑？太空中的甜甜圈？让我们一起揭开它们的神秘面纱！

过去一年中黑洞十分巨大

（图片来源：EHT Collaboration）

==1. 最大的超大质量黑洞之一

2.早期宇宙中的超大质量黑洞种子

3. 靠近地球的超大质量黑洞合并

4. 引力波探测器的量子提升

5. 超大质量黑洞巨大 "嗝 "声的回声

6. 黑洞的人工智能改造

7. "来自黑洞的 "百万光年长的绝地光剑

8. 有史以来第一张黑洞喷流的直接图像（是的，又是M87*！） == 9.

9. 黑洞直指地球

10. 遥远的耀星

11. "回收 "的超大质量黑洞

12. 背靠背的黑洞作用记录

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一。然而，科学家们可以通过研究黑洞的环境、其强大引力产生的条件，以及它们以接近光速喷射出的物质喷流，了解到很多关于黑洞的知识。

以下是 2023 年最令人印象深刻、最非凡和最令人震惊的黑洞故事。

今年 3 月，研究人员透露，他们发现了可能是迄今为止发现的最巨大的黑洞之一。这个宇宙巨无霸位于距离地球 27.3 亿光年的椭圆星系 Abell 1201 BCG 的中心，而这个星系本身则位于一个名为 Abell 1201 的巨大星系团中。

科学家们认为，阿贝尔1201 BCG黑洞的质量相当于327亿个太阳，它是通过对空间的引力作用而被发现的。

研究负责人、英国杜伦大学物理学家詹姆斯-南丁格尔（James Nightingale）在一份声明中说道："这个黑洞的质量大约是太阳质量的300亿倍，是迄今探测到的最大黑洞之一，也是我们认为黑洞理论上可以变大的上限，因此这是一个极其令人兴奋的发现。”

这幅插图展示了一个由大量气体和尘埃云直接形成的黑洞。 (图片来源：ESA/哈勃）

多年来，科学家们一直在思考超大质量黑洞是如何达到如此巨大的体积的。解决这个问题极具挑战性，因为在宇宙早期发现的超大质量黑洞的质量是太阳的数百万或数十亿倍，当时它们还来不及吸食物质，甚至还来不及与其他黑洞合并，就达到了如此巨大的质量。

梅努斯大学（Maynooth University）的研究员约翰-里根（John Reagan）未参与此项研究，他告诉太空网：“这就像看到一家人走在街上，他们有两个 6 英尺高的青少年，但也有一个 6 英尺高的幼儿。”

今年 8 月，天文学家们发现了这一过程可能先行一步的证据，他们发现，在宇宙开始仅仅 4 亿年后，黑洞 "重型种子"的质量已经达到约太阳的4000 万倍。

科学家们认为，这些所谓的超大黑洞星系是由大量气体和尘埃云直接形成的，而不是由垂死的恒星形成，从而在为形成超大质量星系节省了数十亿年的时间。

承载着一对超大质量黑洞双星的螺旋星系相互碰撞的余波。 (图片来源：国际双子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA）

今年 10 月，天文学家在两个星系合并后发现了一个超大质量黑洞双星系统。它距离地球仅 9000 万光年，是目前发现的距离地球最近的一对超大质量黑洞。

这两个黑洞的质量分别是太阳的 5400 万倍和 630 万倍。目前，它们在 1600 光年的距离上环绕对方运行。但大约 2.5 亿年后，它们将像 10 亿年前它们的母星系一样，螺旋式地合并在一起，形成一个总质量约为 6000 万太阳质量的子代超大质量黑洞。

广义相对论的一种表现形式是引力波，该图片描绘的是由两个相撞的黑洞产生的引力波。(图片来源：R. Hurt/加州理工学院-JPL）

当黑洞发生合并时，它们会在时空中激起被称为引力波的微小涟漪，这是爱因斯坦在 1915 年的广义相对论中首次预测到的。

但爱因斯坦没有预料到的是，引力波有一天会在地球上被探测到。今年 10 月，激光干涉引力波天文台（LIGO）进行了升级，超越了所谓的 "量子极限"，使其能够探测到更遥远的黑洞合并产生的更小的空间起伏，从而大大推动了对时空涟漪的探测。

LIGO实验室研究员贾文轩告诉太空网："我们现在可以探测到更深的宇宙，预计能比以前多探测到约60%的黑洞并合。"这次升级还增加了我们探测到宇宙中亚恒星质量黑洞的机会。最新的实验升级几乎在所有方面都将有利于我们探测天体物理信号。"

今年6月，NASA的成像X射线偏振探测仪捕捉到了银河系超大质量黑洞人马座A*（Sgr A*）爆发的回声。研究人员相信，人马座 A* 在 19 世纪之交喷发出这种高能量的光线，科学家们捕捉到了它的回声，这种回声以 X 射线的形式，从环绕银河系中心、孕育着新恒星的稠密气体分子云中穿出，闪耀着光芒。研究人员相信，200 年前的辐射爆发是大块小行星、气体云或恒星过于靠近 Sgr A*，被超大质量黑洞强大引力产生的巨大潮汐力撕碎的结果。

左边是梅西耶87超大质量黑洞的著名图像，最初由事件地平线望远镜合作小组于2019年发布。右图是 PRIMO 算法使用相同数据生成的经过锐化的新黑洞图像。 (图片来源：Medeiros et al 2023, CC BY-ND)

今年 4 月，有史以来第一张黑洞图像--因其出了名的模糊而被称为 "模糊橙色甜甜圈"--在人工智能的帮助下得到了重大改造。为了提高图像的清晰度，研究人员使用了一台超级计算机，运行一种名为主成分干涉建模（PRIMO）的机器学习技术。这使得他们能够填补事件地平线望远镜（EHT）在2019年捕捉到第一张黑洞图像时遗漏的空白，并缩小超大质量黑洞的发光环，以了解更多关于它的信息。

"EHT成员、NOIRLab研究员托德-劳尔（Tod Lauer）在一份声明中说："PRIMO是根据EHT观测结果构建图像这一艰巨任务的新方法。"它提供了一种弥补被观测天体信息缺失的方法，这是用一个地球大小的巨型射电望远镜生成图像所必需的。

哈勃太空望远镜看到从 M87 星系喷射出的喷流。 (图片来源：NASA/哈勃遗产小组（STScI/AURA））)

今年11月，研究人员对Messier 87黑洞及其喷流进行了研究，以了解它们是如何释放能量的。这些能量并非来自黑洞内部；黑洞的边界，人们称之为视界(event horizons), 阻止了任何能量的释放。相反，黑洞的旋转扭曲了磁场，减缓了它的旋转速度，然后发射出高度对准的物质喷流，研究小组将其描述为 "百万光年长的绝地光剑"。

"团队成员、普林斯顿大学研究员乔治-黄（George Wong）说："如果把地球变成TNT炸药，每秒炸1000次，持续数百万年，这就是我们从M87获得的能量。

从 M87 中心黑洞喷出的相对论射流的直接图像。 (图片来源：R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF))

今年 4 月，从 M87 的超大质量黑洞中喷出的准直能量喷流成为第一张被直接拍摄到的黑洞喷流图像。

这幅图像首次显示了喷流的底部是如何与围绕着超大质量黑洞旋转并逐渐被输送到黑洞的物质相连接的。团队成员、马克斯-普朗克射电天文学研究所科学家爱德华多-罗斯（Eduardo Ros）在一份声明中说："我们计划用不同的射电波长观测 M87 中心黑洞周围的区域，以进一步研究喷流的发射情况。"未来几年将是令人兴奋的几年，因为我们将能够更多地了解宇宙中最神秘的区域之一附近发生了什么。

由活跃星系核驱动的超大质量黑洞喷射出的喷流。 (图片来源：NASA/JPL-Caltech）

今年 3 月，天文学家首次观察到，一个由超大质量黑洞驱动的星系的活动中心喷射出的喷流改变了方向，直指地球。该星系名为 PBC J2333.9-2343，距离地球约 6.56 亿光年，曾被观测到发射喷流，但后来似乎归于平静，直到再次发射并将喷流重新调整 90 度指向地球。这次观测背后的团队将其描述为 "一个非常特殊的喷流重新定向案例"。

视界望远镜观测到的位于 NRAO 530 中心的黑洞。 (图片来源：《天体物理学杂志）

今年 2 月，EHT 合作小组揭示了对位于 NRAO 530 星系中心的超大质量黑洞驱动的耀斑的观测结果。这颗耀斑代表了 EHT 迄今为止观测到的最遥远的天体。

EHT合作小组成员、普朗克射电天文学研究所研究员马谢克-维尔格斯（Maciek Wielgus）在一份声明中说："我们看到的光线在不断膨胀的宇宙中向地球传播了75亿年，但借助EHT的强大功能，我们可以在小到一光年的尺度上看到光源结构的细节。

超大质量黑洞影响星际介质分布的示意图。 (图片来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Izumi et al.）

科学家们知道超大质量黑洞是个乱吃东西的家伙，但他们没有意识到黑洞的饮食可能很清淡，因为黑洞会 "回收 "它们未能消耗掉的大量物质。

11 月，天文学家发现，有物质围绕着位于约 1300 万光年外的圆环星系中心的超大质量黑洞跳起了复杂的舞蹈。

他们发现，中心黑洞只吸食落向它的大约 3% 的物质，而它产生的能量会将其余的物质推走，这意味着它的食量比以前想象的要小得多。不过，这并不意味着这些物质会保持距离；它们中的大部分会以一种几乎类似于喷泉的排列方式落回中心超大质量黑洞。

目前距离地球最近的黑洞位置。 (图片来源：ESA/Gaia/DPAC；CC BY-SA 3.0 IGO、CC BY-SA 3.0 IGO）

今年 4 月，天文学家利用盖亚太空船发现了似乎离地球最近的黑洞。这两个黑洞被命名为盖亚 BH1 和盖亚 BH2，分别位于 1560 光年和 3800 光年之外。但就在几个月后，科学家们发现，在哈迪斯星团中可能还有几个黑洞，它们的距离只有150光年，比盖亚BH1还要近10倍。这两个黑洞，甚至可能是三个黑洞可能会更加引人注目，因为它们可能根本就不在这个密集的星团中，而是在1.5亿年前被弹出了Hyades星团，独自在银河系中游荡。

BY: Robert Lea

FY: 33

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分类：未解之谜日期：2025-03-31 浏览：23 评论：0