黑洞发现之路

物理学家霍金认为，黑洞“比任何科幻作家幻想出来的东西还奇怪”。黑洞之所以如此奇怪，是因为黑洞内部有一个密度无穷大、体积无穷小的奇点，能让空间和时间彻底崩溃，从而产生人类无法理解的后果。

1783年，英国科学家米歇尔提出，根据牛顿万有引力定律，宇宙中可能存在连光都能被永远束缚住的大质量天体。由于这种天体无法向外释放光线，米歇尔将其称为“暗星”。但米歇尔的“暗星”理论还是建立在万有引力定律之上的。在该理论框架下，物质并不和时空发生关系，因此“暗星”和“黑洞”从根本上依然是两个不同的事物。

真正为黑洞奠定理论框架的是爱因斯坦于1915年提出的广义相对论。由此，人类对宇宙的认识进入了一个新时代……

破解物质和时空关系

在广义相对论中，物质（能量）和时空是相互影响的，物质（能量）让时空产生不同程度的弯曲，这就是引力的本质。但爱因斯坦在计算时空曲率时遇到了麻烦，他用了10个方程才计算出时空在不同质量/能量下的近似弯曲程度（他认为不可能得到精确解）。但实际上，在物理学领域，计算物理量的公式越简洁，才被认为越接近真理。

广义相对论的提出适逢德国和奥匈帝国在欧洲东线战场上对战俄罗斯帝国。和不少欧洲科学家一样，41岁的德国科学家史瓦西也应征上了前线。他在家乡是公认的天才，16岁时就发表了两篇关于双星轨道的论文。在东线战场上，他被编入了炮兵连，负责为士兵计算火炮弹道的相关数据。

广义相对论发表后，几天之内文本就传遍世界，史瓦西也收到了相关材料。他一看到这个大胆又优雅的新理论，立刻被它迷住。在接下来的日子里，他利用工作间隙，开始投入到对这10个方程的计算中。废寝忘食的计算工作，让他忘记了盘旋在东线战场上空的恐惧。

计算出黑洞的男人

很快，史瓦西就发现爱因斯坦的方程组过于繁复，而且爱因斯坦的思路也是起源于19世纪的陈旧套路。而史瓦西非常熟悉计算弯曲空间的黎曼几何，这是一种新的几何思维。在简化了一系列基本前提后，史瓦西利用黎曼几何将爱因斯坦的10个方程组简化为了一个方程，并奇迹般地算出了这个方程的唯一精确解。

1915年12月22日，史瓦西将计算过程写成论文，寄给了爱因斯坦。爱因斯坦不久后给史瓦西回信说：“我没想到居然有人能以如此简洁的方法算出这个问题的解。我非常喜欢你的方法。”

史瓦西并未满足，因为他只计算出了球形天体外部的时空弯曲，那么内部呢？在套用自己创立的方程后，他有了难以置信的发现：如果天体被自身引力压缩到一定的半径内，严重扭曲的时空就将成为一个无底洞，任何进入这个无底洞的物质，哪怕是光，也休想从中逃走。

史瓦西无论如何不敢相信宇宙中会有这种怪物天体存在。按照他的计算，地球如果被压缩到只有9毫米直径，就会成为这样的怪物（这只是理论值，其实只有质量至少为20倍太阳质量的天体才有可能发生这种变化）。史瓦西将他对这个怪物天体的计算结果寄给了爱因斯坦。1916年2月13日，爱因斯坦向普鲁士科学院提交了这份计算结果。不幸的是，史瓦西因病于1916年5月11日与世长辞。

天空中的神秘X射线源

1963年，一名美国物理学家将史瓦西计算出的怪物天体命名为黑洞。但当时的科学家都觉得黑洞只存在于理论中，就连爱因斯坦本人也不愿意承认黑洞的存在。

1964年的一天，在美国新墨西哥州的一个导弹基地，一枚火箭腾空而起，上升到高层大气。它在升空时不断旋转，其搭载的放射性探测器扫描整个天空，并记录到了除太阳外的多个X射线源，其中信号最强烈的一个位于天鹅座方向。这个神秘的强X射线源被命名为天鹅座X-1。一些科学家猜测天鹅座X-1很可能就是一个黑洞，但也有科学家不这么认为。

在1964年之前，科学家对黑洞的认识还很粗浅，认为它就是一个让物质有进无出的洞。1964年到1973年，科学家经过大量计算，得出黑洞不但会旋转，还会引起周围的时空波澜。

1971年，英国科学家穆丁来到大名鼎鼎的英国格林尼治天文台工作。该天文台位于一座建于15世纪的城堡的八角屋中。同年秋天，穆丁和另一名天文学家韦伯斯特发现，在天鹅座X-1区域内，一颗蓝色恒星正围绕着虚空运行，在其轨道中央似乎存在一颗不会发光的大质量天体。蓝色恒星是恒星家族中的“大块头”，它们所围绕天体的质量肯定也很大，但为何这个神秘天体不发光？

根据蓝色恒星的预测质量和其5、6天围绕神秘天体运行一周的速度，穆丁和韦伯斯特计算出了那个神秘天体的质量：可能为4倍太阳质量，甚至可能是6倍。当时人类发现的致密天体只有白矮星和中子星，但理论上这两类天体的质量都不会大于太阳质量的两倍。那么，蓝色恒星围绕的是什么天体？穆丁和韦伯斯特推测它就是黑洞。

他们认为，蓝色恒星和黑洞形成双星系统，黑洞不断从蓝色恒星上剥离物质，这些物质在落入黑洞的过程中因摩擦而被加热到极高温度，从而释放X射线。他们将这一理论写成一篇论文，打算投给《自然》期刊。但他们的上级、皇家天文台台长理查德根本不相信黑洞存在，还担心这样的文章会招来耻笑。不过，在其他资深天文学家的调解下，理查德最终同意发表此文。

这篇论文发表于1972年1月的《自然》杂志上，穆丁因此名声大噪，获得了格林尼治天文台终生职位。此后，人类又接连发现疑似黑洞。人类终于打破了对黑洞只存在于理论中的认识。后来，经过盖亚卫星和甚长基线干涉阵列的多次测量，科学家测得天鹅座X-1黑洞距离地球7000多光年，质量约为太阳的20倍。

大黑洞和小黑洞

在人类发现的所有黑洞中，有一类黑洞可谓“另类”。一位美国天文学家发现了被称为“类星体”的奇异天体。类星体其实是新生星系的核心，虽然体积没有太阳系大，释放的能量却高达银河系总能量的数千倍。科学家普遍认为，类星体的本质是活跃的星系核，其内部是一个质量高达数百万倍乃至数百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。

按照质量大小，黑洞可分为三类：

恒星黑洞：大质量恒星在自身引力作用下坍缩而成的黑洞。

中等质量黑洞：更大质量的恒星形成的黑洞。

超大质量黑洞：位于所有已知星系中央的巨型黑洞，其质量远超前两类黑洞。

恒星黑洞和中等质量黑洞都可以由恒星演化而来，但超大质量黑洞的形成过程至今都是个谜，因为宇宙中不存在质量大到能一次性形成超大质量黑洞的恒星。对此，科学家提出了两种可能性：星系尘埃不断吸引、聚集并形成超大质量黑洞；恒星黑洞或中等质量黑洞不断融合，形成超大质量黑洞。

进入20世纪90年代，哈勃太空望远镜的升空让天文学家知道，几乎每个星系的中央都潜伏着一个超大质量黑洞，我们所在的银河系也不例外。银河系中心的超大质量黑洞被命名为“人马座A*”，其中“人马座”代表银心黑洞所在位置，“*”代表“星”。人马座A*在超大质量黑洞家族中只能算小个头，质量“只有”太阳质量的430万倍。

虽然天文学家确信人马座A*就是黑洞，但在2015年前，一些科学家依然将它称为“某个非常致密的天体”。直到2015年引力探测器首次探测到了两个黑洞合并所产生的引力波时，黑洞的存在才成为铁一般的事实。

第一张黑洞照片

要研究黑洞，天文学家面临两个问题：银河系中确实存在不少恒星黑洞和中等质量黑洞，但它们不仅小，而且是黑的（至少从地球看去和太空的黑色背景没有区别）；超大质量黑洞虽然大且明亮（这种黑洞的外围是非常明亮的），但位于其他星系，距离我们过于遥远，难以观测。选来选去，有观测条件的黑洞就只剩下距离银河系较近的M87星系中央黑洞（简称M87黑洞），以及人马座A*（简称银心黑洞）。

2012年，世界各国的天文学家云集于美国亚利桑那州，提出了一个大胆的观测黑洞方案：利用位于南极洲、智利、墨西哥、美国和西班牙的8座高素质射电望远镜组成一个口径尺寸相当于地球直径的虚拟望远镜，即“事件视界望远镜”。将这些望远镜收集的数据汇总到美国海斯塔克天文台进行处理，就能得到极远距离外黑洞的图像。

2019年4月10日，事件视界望远镜项目组公布了第一张黑洞图像，但它并不是银心黑洞，而是比银心黑洞重1000倍、大1000倍的M87黑洞。这张图像的观测时间是在2017年4月。科学家对海量数据进行了为期2年的处理，才得到了最后的图像。

M87黑洞距离地球5500万光年，质量是太阳质量的64亿倍，是已知质量最大的黑洞之一，其中心呈黑色，周围有新月状光环环绕。要观测到这个黑洞，难度相当于在地球上用望远镜看清月球表面的一只足球。