黑洞揭秘

当我们抬头仰望银河系，吸引我们目光的总是那些美丽的行星和恒星。但实际上，潜藏在星空中黑暗区域的那些无比惊人、无比简单的天体才堪称完美。它们被称为“黑洞”。

一般理论

一般的理论是，黑洞是太空中无限致密的块（注意：宇宙学中的块或点并非是我们日常生活中对体量大小的认知，而是具有很大规模的物体），进入黑洞中的任何物质，哪怕是光线，都无法逃离。质量为太阳质量几倍的黑洞，很可能形成于质量为太阳20～30倍的恒星。巨大的恒星在极度高温中明亮燃烧，发出蓝光，但最明亮的恒星也最短命。

恒星是巨大的气态星球，它们会在自身引力下坍缩。而发生在恒星核内部的聚变反应会释放巨量光线，其造成向外延伸的辐射压会阻止恒星坍缩。但最终坍缩还是会占上风。巨大的恒星可能会在短短几百万年内烧完自己的核燃料，然后在自身引力下坍缩。

由于坍缩的物质数量极其巨大，产生的巨大而又致密的中子量会在巨大的引力下继续坍缩。如果恒星质量是太阳的20倍或再多一点，恒星最终就会消失，留下的“幽灵”就是黑洞。但并非所有恒星都会经历这一转变。像太阳这样质量较小的恒星，在聚变反应停止后会变成矮星，然后逐渐化为灰烬。

如此看来，黑洞的成因很简单：足够多的物质被压缩到足够小的体积。由此就产生了一种可能性——早期宇宙中几乎所有的大质量恒星最终都会变成黑洞。

类比说明

用河流来比喻黑洞周围最近邻的区域很合适。如果你在河中平静的水域游泳，那么你就很安全。同理，只要距离黑洞足够远，黑洞就奈何不了你。但在黑洞所在地，由于物质坍缩到了很小的体积，变得非常致密，不存在实体，而只是太空中一个无限小的点。当然，这里的“点”同样是一个空间。

还是拿河水来类比。当河水流到瀑布边时，水流加快，如果谁在这里跳进水流，只会葬身瀑布。而在距离黑洞很近的地方，空间架构就像瀑布那样被拉向黑洞中心。不管是恒星、行星还是光线，一旦被拖进黑洞就没有回头路。

但黑洞引力的势力范围并非无限大。人们可能会认为，黑洞会吞噬周围的所有天体。然而，这种认识是错误的，因为黑洞只吞噬一定距离内的天体。那么，黑洞内部是什么样子？我们看不见。黑洞与可见的宇宙之间的界限被称为“视界”。一旦从可见的宇宙越过视界，就再无回头路。

从爱因斯坦开始，科学家不再把宇宙架构视为静态的，而是认为大质量天体会扭曲周围的空间，并影响时间。于是有了“时空”这个词，即把时间和空间结合起来。爱因斯坦的卓越就在于他认识到了时间与空间的紧密联系：物质不仅会扭曲空间，而且会改变时间进程。具体来说，物质越密集的地方，时间流逝的也越慢。

在黑洞周边区域，扭曲的时空拉长光波，让色彩失真。从遥远的距离看向黑洞，视界就是时间停住的地方。如果你距离黑洞越来越近，那么在距离黑洞足够远处的一个人会看见你的肤色越来越红，你的时间与他的时间相比也会变慢。最终你穿过视界，消失无踪。

人马座A

黑洞之怪异，就连科幻作家都难以想象。但黑洞不是幻想的东西，而是实际存在的。绝大多数黑洞都很小，直径不到32千米，它们通常在太空中流人马浪。但如果我们把目光指向银河系的中心，看穿包裹星系核的气体和尘埃云，那么全然不同的迹象就会出现。

在20多年中，科学家发现银河系中心的恒星根本没有环绕任何可见的天体。这些恒星所在区域的中心一片黑暗，就像是那里有一个无比巨大的空洞，而这些恒星就像是在环绕这个空洞——科学家称之为“人马座A”。这个空洞的质量是多么巨大，以至于能让恒星群环绕它？科学家推测这个空洞就是一个黑洞，其质量为太阳的400万倍。

事实上，整个银河系都环绕于人马座A。科学家自然要问：这个黑洞来自何方？它的个头为什么会长得这么大？

1999年，钱德拉X射线太空望远镜（以下简称“钱德拉”）从美国宇航局航天飞机上升空。虽然已经服役20多年，但是钱德拉依然是科学家观测高能宇宙射线的最强大天文学设备。

钱德拉的最高轨道距离地球表面13.4万千米。在这个轨道中，钱德拉用8张高精准镜面扫描太空，探查从宇宙中极热区域发出的X射线。钱德拉升空后近14年来，一直在搜索爆发的恒星和星系团。2013年9月14日，它望向人马座A，观测一个巨大的炽热气云团，却意外地记录到了来自看似空旷的银河系中心的、短暂的X射线爆发。

科学家立即警觉起来：这一爆发必定事出有因！可是，他们看不见原因。科学家起初推测，位于2.6万光年外的一颗小行星当时被撕裂，并且在烈焰中燃烧，其亮度是太阳的好几百倍，由此造成的X射线爆发被钱德拉记录到。但爆发的强度之大，让科学家更相信是黑洞所为。也就是说，在银河系中心必定有一个大黑洞，而人马座A正是这个黑洞。这个黑洞当时只不过是在吃“小点心”——有可能是一颗小行星，由此造成强烈而又短暂的X射线爆发。

超级黑洞

不仅可以用钱德拉观测银河系，还可以用它观测其他星系。天文学家通过观测发现，在每个大星系中心都有黑洞。这些黑洞的质量都很大，是太阳质量的几百万甚至几十亿倍。问题接踵而来：这些黑洞是怎样形成的？它们为什么会这么大？

黑洞的形成需要几百万至几十亿年时间。一些科学家猜测，那些最大、最古老的黑洞并非始于恒星。在宇宙的最早期，气体可能会直接坍缩形成大质量黑洞。虽然不排除这种可能性，但大多数科学家相信人马座A自一颗恒星的死亡而形成。

不管形成人马座A的起因是什么，有一点很明确：它在变大。人马座A刚形成时，附近误入其势力范围的小行星、恒星和巨大的气云都是它的“食物”。随着进食量增加，黑洞个头也越来越大。但仅仅通过进食，初始质量仅为太阳几十倍的黑洞绝无可能拥有超大质量。那么，人马座A是怎样做到加速生长的？2015年9月14日，科学家找到了一个线索——两个黑洞相撞的余波。

不难理解，两个黑洞相撞的规模和威力都无比巨大，其在时空架构中引起的涟漪以光速向外传播。在地球上，科学家用LIGO探查到了这些涟漪。LIGO是一种仪器，其运作方式为发射激光束，激光束在到达镜面后会反射回来。当引力波经过地球时，激光束的返回时间会有改变。虽然这种改变很微小，但采用了高精尖技术的LIGO能探查到。

许多科学家现在相信，像这样的黑洞相撞正是超大质量黑洞形成机制中的关键因素。当另一个黑洞朝着人马座A流浪而来，两者会相互环绕而动，在此过程中失去能量，最终两者合二为一。对人马座A来说，这种合并发生在几十亿年前，也就是人马座A诞生之初。

费米泡泡

随着人马座A的质量和影响力激增，它的周边环境也发生着变化。这个黑洞周围的恒星群和气云持续生长，逐渐演化成了银河系，而人马座A占据银河系的中心。因此，当人马座A变成一个超大质量黑洞时，它也真正成年了，能够主宰整个银河系的演变。年轻的银河系中心有大量旋转的尘埃和气云，所以黑洞不乏食物。随着人马座A的饕餮盛宴不断进行，其引力撕裂了物质，并释放出质子、电子和扭曲的磁力线。

在靠近视界的物质中，有一部分并未越界而被黑洞吞没。在黑洞周围，这些超炽热物质被沿着黑洞的两个磁极（两股超高能射流）甩出，从而进入宇宙空间。它们所到达的最远之处，距离黑洞本身数十万光年。

直到最近，科学家才开始认识到人马座A对银河系的巨大影响力，以及这些超高能射流可能扮演的角色。这要从费米太空望远镜（以下简称“费米”）说起。

费米于2008年6月11日发射，其建造目的是探测宇宙中最强的能量辐射——伽马射线。费米的灵敏度几乎是之前伽马射线望远镜的100倍，因此通过它能看见之前看不到的东西。费米每96分钟就环绕地球一圈，科学家用它创建了宇宙地图，还发现了一种不可见的风景——星系中能量最多的区域，那就是黑洞。费米把“目光”对准银河系黑洞，科学家对黑洞模样的想象中因此又多了一些细节。虽然不可能直接看到黑洞内部，但费米为科学家带来了一个意想不到的巨大惊喜。

银河系盘面（银盘）上有两个巨大的泡泡（被称为“费米泡泡”），其中每个泡泡的直径都是2.5万光年，它们加起来占到银河系直径的一半。如果你能看见伽马射线，那么费米泡泡就会是你在天空中所见的最大天体。两个费米泡泡就像是悬在人马座A黑洞中心的超巨大哑铃。如果人马座A曾经发生过巨大的爆发，就一定会在银河系中留下痕迹。而费米泡泡就是这样的痕迹。由此，科学家终于找到了一些线索，证明银河系曾有过更活跃、更具爆发力的过去。