黑洞：你需要知道的一切 | {$randkws}热点解读 依据美国宇航局的一份告示

一个超大品质黑洞的艺术家插图。漩涡状的橙色线条环绕着中间的黑色圆圈。黑洞是太空中最迷人的物体之一。(图片来源:solarseven via Getty Images)
（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（By Daisy Dobrijevic, Nola Taylor Tillman）：黑洞是太空中一些最奇怪也最迷人的物体。它们密度极高，引力如此之大，权威平板电脑快报以至于连光都无法逃脱它们的掌控。
银河系或许包含超过1亿个黑洞，尽管探测这些贪吃的野兽相当艰难。银河系的中心有一个超大品质黑洞——人马座A*。依据美国宇航局的一份告示，这个巨大的结构大约是太阳品质的400万倍，距离地球大约26，000光年。
2019年，视界望远镜(EHT)兴办捕捉到了第一张黑洞图像。距离地球5500万光年的M87星系中心的黑洞的惊人图像让全全球的科学家兴奋不已。
专家解答的黑洞普遍难题
我们问了理论天体物理学家Priyamvada Natarajan一些有关黑洞的普遍难题。
普里亚姆瓦达·纳塔拉詹理论天体物理学家耶鲁大学天文系主任约瑟夫. s .和索菲娅. s .弗鲁顿天文学教授和物理学教授。
黑洞是如何形成的？
黑洞预计经由两种各异的渠道形成。依据第一种途径，它们是恒星尸体，所以它们是在大品质恒星死亡时形成的。出生时品质大约是太阳品质的8到10倍以上的恒星，当它们耗尽所有的燃料——氢时，它们会爆炸并死亡，留下一个相当致密的物体，即黑洞。留下的黑洞被称为恒星品质黑洞，其品质是太阳品质的几倍。
不是所有的恒星都会留下黑洞，出生品质较低的恒星会留下中子星或白矮星。黑洞形成的关于婚姻，我想说：愿你三冬暖愿你春不寒另一种方式是气体的直接坍缩，这一过程预计会形成更多品质更大的黑洞，品质从太阳品质的1000倍到太阳品质的10万倍不等。这个通道绕过了传统恒星的形成，被觉得在宇宙早期管理，形成了更多的大品质黑洞种子。
谁察觉了黑洞？
黑洞被预言为爱因斯坦方程的精确数学解。爱因斯坦的方程式刻画了物质周围的空间形状。广义相对论将几何或形状与物质的详尽分布联系起来。
卡尔·史瓦西在1915年察觉了黑洞的解决计划，这些区域——黑洞——被察觉会极大地扭曲空间，并在时空结构中形成一个穿孔。当时还不清楚这些是否对应于宇宙中的真实物体。随着时间的推移，随着恒星死亡的其他最后产物被探测到，也就是被视为脉冲星的中子星，黑洞是真实存在的，并且应该存在，这一点变得越来越清楚。第一个被探测到的黑洞是天鹅座-X1。
黑洞会死吗？
黑洞本身不会死亡，但理论上预计它们最后会在极长的时间尺度内慢慢蒸发。
黑洞是经由附近被巨大引力吸引的物质的增长而成熟的。霍金预测，黑洞也可以辐射出能量，并相当慢慢地收缩。量子理论表明，虚粒子无时无刻不在呈现和消失。当这种状况发生时，一个粒子和它的同伴反粒子呈现了。但是，它们也可以重组并再次消失。当这个过程发生在黑洞视界附近时，最新沈腾解读奇怪的事情就会发生。而不是粒子反粒子对存在一会儿，然后互相湮灭，其中一个可以经由重力进入黑洞，而另一个粒子可以飞向太空。在很长的时间尺度上，我们谈论的时间尺度比我们宇宙的年龄长得多，理论表明这种逃逸粒子的涓涓细流将导致黑洞慢慢蒸发。
黑洞是虫洞吗？
不，黑洞不是虫洞。虫洞可以被觉得是连接时空两个分离点的隧道。据信，黑洞的内部或许包含一个虫洞，这个洞就是时空，它或许提供一个通往时空中另一点的入口，乃至或许在一个各异的宇宙中。
首次察觉黑洞
阿尔伯特·爱因斯坦在1916年用他的广义相对论首次预言了黑洞的存在。多年以后，美国天文学家约翰·惠勒在1967年创造了“黑洞”这个术语。几十年来黑洞只被觉得是理论上的物体。
第一个被察觉的黑洞是天鹅座X-1，位于银河系内的天鹅座。依据美国宇航局的说法，天文学家在1964年察觉了黑洞的第一个迹象，当时一枚探测火箭探测到了X射线的天体来源。1971年，天文学家确定X射线来自一颗明亮的蓝星，它围绕着一个奇怪的黑暗物体管理。有人觉得，探测到的X射线是恒星物质被明亮的恒星剥离并被黑暗物体“吞噬”的结局，黑暗物体是一个吞噬一切的黑洞。
有多少黑洞？关注谢娜对比

一张深空影像显示，在影像中心有一个微弱的蓝色X射线源，表明人马座A*的存在。银河系中心存在一个超大品质黑洞人马座A* (Sgr A*)。(图片来源:NASA/UMass/D.Wang等人，IR: NASA/STScI)
依据太空望远镜科学探究所(STScI)的资料，每一千颗恒星中大约有一颗品质足以变成黑洞。由于银河系包含超过1000亿个统计资料，我们的家人星系一定隐藏着大约1亿个黑洞。
尽管探测黑洞是一项艰巨的任务，但美国宇航局的估计表明，银河系中或许有多达1000万到10亿个恒星黑洞。
距离地球最近的黑洞被称为“独角兽”，大约位于1500光年之外。这个昵称有双重含义。黑洞候选体不只位于麒麟星座(“独角兽”)，其难以置信的低品质——大约是太阳的三倍——使它差不多是独一无二的。
黑洞图像

围绕黑色圆圈的橙色发光环。事情视界望远镜是一个由八个地面射电望远镜组成的行星级阵列，经由海外兴办兴办，捕捉到了这张M87星系中心超大品质黑洞及其阴影的图像。(图片鸣谢:EHT兴办)
2019年，视界望远镜(EHT)兴办亮相了有史以来第一张记录黑洞的图像。EHT在M87星系中心目睹了黑洞，当时望远镜正检查促销视界或任何东西都无法逃离黑洞的区域。该图像描绘了光子(光粒子)的忽然损失。这也开启了黑洞探究的一个全新领域，如今天文学家得知了黑洞的样子。
2021年，天文学家展示了M87中心巨型黑洞的新视图，展示了这个巨大结构在偏振光下的样子。由于偏振光波与非偏振光相比具有各异的方向和亮度，新图像显示了黑洞的更多详情。极化是磁场的一个特征，这幅图像清楚地表明黑洞的环被磁化了。

橙色发光环，周围是黑色圆圈，内部有光线。继2019年第一张黑洞图像亮相后，天文学家捕捉到了黑洞的新偏振视图。(图片鸣谢:EHT兴办)
2022年5月，科学家们展示了银河系中心超大品质黑洞的历史首张图像——速腾A*。
黑洞是什么样子的？
黑洞有三个“层”:外部和内部事情视界，以及奇点。
黑洞的视界是黑洞口周围的边界，光不能越过它。一旦一个粒子穿过视界，它就不能离开。引力在全部视界中是不变的。
物体品质所在的黑洞内部区域被称为奇点，即黑洞品质集中的时空单点。
科学家们不能像观察眼冒金星和太空中的其他物体那样观察黑洞。相反，天文学家必须依靠探测黑洞在尘埃和气体被吸入致密生物时发出的辐射。但是，位于星系中心的超大品质黑洞或许会被周围厚厚的尘埃和气体所覆盖，从而阻止研究通讯的发射。
有时，当物质被吸向黑洞时，它会从视界反弹出去，并被抛出去，而不是被拖入黑洞。明亮的物质喷流以接近相对论的速度行进。尽管黑洞依然看不见，但这些强大的喷流可以从很远的地方目睹。
EHT的M87黑洞图像(2019年亮相)是一项非凡的奋斗，即使在图像取景后也需要两年的探究。这是由于遍布全球许多天文台的望远镜兴办形成了惊人的资料量，这些资料量太大，无法经由互联网传输。
随着时间的推移，探究人员期盼对其他黑洞开展成像，并兴办一个有关这些物体外观的知识库。下一个目标很或许是人马座A*，它是我们银河系中心的黑洞。2019年的一项探究报表称，人马座A*相当有趣，由于它比预期的更安静，这或许是由于磁场抑制了它的促销。那年的另一项探究表明，人马座A*周围有一个冷气体晕，这让人们对黑洞周围的生态有了前所未有的知晓。

图示显示了黑洞的各个层次，含有吸积盘、事情视界、相对论喷流、奇点、光子球和最内部的稳定轨道。ESO的黑洞解剖图显示了黑洞的样子，并标明了各异的组成若干。(图片鸣谢:ESO)
黑洞的类型
到当下为止，天文学家已然确定了三种类型的黑洞:恒星黑洞、超大品质黑洞和中间黑洞。
恒星黑洞——虽小却致命
当一颗恒星燃尽最后一点燃料时，这个物体或许会坍缩，或者坠入自身。针对较小的恒星(品质达到太阳的三倍左右)，新的核心将变成中子星或白矮星。但是当一颗更大的恒星坍缩时，它会持续压缩并形成一个恒星黑洞。
由单个恒星坍塌形成的黑洞相对较小，但密度惊人。其中一个天体的直径是太阳品质的三倍多。这导致了一个疯狂的引力吸引着物体周围的物体。恒星黑洞然后消耗来自周围星系的尘埃和气体，这使它们的尺寸不断增长。
超大品质黑洞——巨人的诞生
小型黑洞遍布宇宙，但它们的近亲超大品质黑洞占据主导地位。这些巨大的黑洞的品质是太阳的数百万倍乃至数十亿倍，但直径却差不多一样。这种黑洞被觉得位于差不多每个星系的中心，含有银河系。
科学家不确定如此大的黑洞是如何形成的。一旦这些巨行星形成，它们就会从周围的尘埃和气体中聚集品质，这些物质在星系的中心相当丰富，这使得它们可以增长到更大的尺寸。
超大品质黑洞或许是成百上千个微小黑洞合并的结局。大型气体云也或许是缘由之一，它们一起坍塌并迅速增大品质。第三种挑选是星团的崩溃，一群恒星一起坠落。第四，超大品质黑洞或许来自大团暗物质。这是一种我们可以经由它对其他物体的引力作用来观察的物质；但是，我们不得知暗物质是由什么组成的，由于它不发光，无法直接观察到。
中间黑洞
科学家们曾经觉得黑洞只有小和大两种尺寸，但探究揭示了中型或中间黑洞(IMBHs)存在的或许性。当星团中的恒星以连锁反应碰撞时，就或许形成这样的天体。在同一个区域形成的几个IMBHs最后或许会一起坠落在星系中心，形成一个超大品质黑洞。
2014年，天文学家在一个螺旋星系的臂中察觉了一个似乎是中等品质的黑洞。2021年，天文学家运用一次古老的伽马射线爆发探测到了一个。
“天文学家一直在奋斗寻找这些中等大小的黑洞，”该探究的合著者，英国杜伦大学的蒂姆·罗伯茨在一份告示中说。“有迹象表明它们的存在，但IMBHs一直表现得像一个失散多年的亲戚，对被找到不感兴趣。”
2018年的探究表明，这些IMBHs或许存在于矮星系(或相当小的星系)的中心。对10个这样的星系(其中五个在最近的调研之前是未知的)的观察揭示了X射线促销——在黑洞中很普遍——表明存在36，000到316，000太阳品质的黑洞。这些信息来自斯隆数字巡天，它检查了大约100万个星系，可以测试到常常观察到的来自黑洞的光，这些黑洞正收集附近的碎片。
二元黑洞:双重麻烦

图解显示了一个巨大的黑色圆形空洞-一个超大品质黑洞，左边有一个较小的黑色圆圈-一个伴星黑洞。一个超大品质黑洞和一个环绕它管理的伴黑洞的艺术家插图。(图片来源:加州理工学院IPAC分校)
2015年，天文学家运用激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到来自恒星黑洞合并的引力波。
“我们进一步证实了大于20个太阳品质的恒星品质黑洞的存在——在LIGO探测到它们之前，我们不得知这些物体的存在，”LIGO科学兴办组织(LSC)的发言人舒德伟在一份告示中说。LIGO的观察也提供了对黑洞旋转方向的洞察。当两个黑洞互相环绕时，它们可以同向或反向旋转。
有关二元黑洞是如何形成的，有两种理论。第一种说法觉得，这两个黑洞在大约同一时间以双星的形式呈现，它们来自两颗诞生在一起并在大约同一时间爆炸死亡的恒星。伴星会有一样的自旋方向，所以留下的两个黑洞也会如此。
在第二个模型中，恒星团中的黑洞下沉到星团的中心并配对。依据LIGO科学兴办组织的说法，这些同伴相互之间会有随机的自旋方向。LIGO对具有各异自旋取向的伴黑洞的观察为这一形成理论提供了更有力的证据。
“我们着手收集有关二元黑洞操控系统的真实资料，”加州理工学院的LIGO科学家Keita Kawabe说，他在LIGO汉福德天文台岗位。“这很有趣，由于即使是如今，一些黑洞双星形成的模型也比其他模型更受青睐，在前方，我们可以进一步压缩范围。”
黑洞事实
1.假如你掉进一个黑洞，理论一直觉得重力会像意大利面条一样把你拉长，尽管你会在到达奇点之前死亡。但2012年发表在《自然》杂志上的一项探究表明，量子效应会导致事情视界像一堵火墙一样，会马上将你烧死。
2.黑洞不吸。吸力是由把东西拉进真空引发的，而大品质黑洞肯定不是。相反，物体会像它们向任何施加重力的物体(比如地球)坠落一样落入其中。
3.第一个被觉得是黑洞的物体是天鹅座X-1。天鹅座X-1是1974年斯蒂芬·霍金和他的物理学家同仁基普·索恩友好打赌的主题，霍金打赌该源不是黑洞。1990年，霍金承认失利。
4.微型黑洞或许在大爆炸后马上形成。高效膨胀的空间或许已然将一些区域挤压成微小、致密的黑洞，其品质不及太阳。
5.假如一颗恒星离黑洞太近，它就会被撕裂。
6.天文学家估计，银河系有1000万到10亿个恒星黑洞，品质大约是太阳的三倍。
7.黑洞依然是科幻书籍和影片的绝佳素材。看看影片《星际穿越》吧，它在很大程度上依赖索恩将科学融入其中。索恩与影片视效团队的兴办使科学家们更好地理解了当在高效旋转的黑洞附近观察时，遥远的恒星或许会呈现的状况。