黑洞：宇宙带给人类的奇妙信物

近日，一个国际科学家团队通过分析高新激光干涉仪引力波天文台（Advanced LIGO）获得的观测数据，发现了迄今最大的黑洞合并事件，这次黑洞合并成了一个约为太阳80倍大小的新黑洞，也是迄今距离地球最远的黑洞合并。 这一次的黑洞合并事件发生在2017年7月29日，距我们约90亿光年。

2014年年底，电影《星际穿越》火遍全球。电影讲述了一位宇航员在面临地球灾难、人类即将灭绝的时候，去宇宙深空探索，找到帮助人类建立第二家园的方法，最后成功将人类送到太空的故事。

电影《星际穿越》涉及很多天体物理方面的知识，比如黑洞、引力波等等。这些概念非常抽象，不同的人对于黑洞可能有完全不一样的看法。在艺术家、导演眼中，会描绘黑洞袭击撕裂另外一个天体的图画；有的物理学家更是赋予黑洞更多非常神奇的想象，在黑洞的最中心有可能是另外一个时空，或者通往平行宇宙的快速通道入口。

什么是黑洞？

黑洞仿佛是宇宙中最调皮的孩子。黑洞的行为、对周围物质的影响、背后的物理学原理，比任何科幻小说都更离奇古怪和令人费解。黑洞是引力非常强的天体，要理解黑洞的话，先要了解一下关于引力的知识。17世纪中叶，物理学家牛顿发现宇宙当中万物之间存在着一种吸引力，他认为引力是质量导致的，还计算出了万有引力公式。

所以科学家就想象，如果宇宙当中某种天体致密到一定程度，从天体上发出来的光就逃脱不出去了。这个想法在18世纪的时候，法国数学家拉普拉斯就已经提出来，当时对于光的速度并不特别了解，所以仅仅是个概念，具体计算，一直等到近代对于光速有精确的测量以后才得到。

牛顿理论可以解释许多天体运动，但是也存在一些小问题，比如说水星的运动轨迹，跟预测的会发生一定偏差。1915年，爱因斯坦提出对引力全新的认识——广义相对论。他认为引力不是质量直接导致的，而是质量导致时空的变形反映出来的一种效应。比如一张二维平面的薄膜，放上不同质量、密度的天体以后，会导致薄膜不同的变形，质量大的会导致变形程度更大一点，小一点的相应变形程度就会小一点。

不同的天体密度是完全不一样的，一些致密的天体，比如中子星或者黑洞，会把薄膜拉伸得到一个类似“深井”的东西。这叫做视界，物体要想从视界当中爬出来就要耗费更多的能量。当视界深到一定程度的时候，连光线或者说光子也很难跑出来。爱因斯坦的广义相对论预言了“黑洞”的存在——当时还不叫“黑洞”，某些大质量恒星会终结为一个时空发生极度扭曲的区域。

在提出广义相对论的几个月后，德国科学家史瓦西，得到爱因斯坦方程的第一个黑洞数学解。将物体的逃逸速度设为光速，配合万有引力常数及天体质量，便能计算出一个叫做史瓦西半径的数值，小于史瓦西半径的物体被称为黑洞。比如地球变成类似黑洞天体的话，得把半径约为6400公里地球压缩到大约半径是9毫米，直径是1.8厘米左右。1.8厘米到底是多大？对应的是约人民币1分钱硬币大小。

黑洞的诞生

现在大量的观测已经表明，宇宙当中有很多黑洞。在上个世纪60年代的时候，美国为登月做准备，发射一系列探空火箭进行观测。在进行X射线观测的时候，偶然发现一个奇怪天体，它位于天鹅座当中，是在X波段观测到的第一个此类现象，所以称之为天鹅座X-1。它距地球大约7800多光年，质量是15个太阳质量，后来确定这是一个黑洞。

根据质量的不同，黑洞可以分为两大类。一类是恒星量级的黑洞，介于10多个太阳质量但是小于100个太阳质量；还有另外一类叫做超大质量黑洞，相当于大约上百万个太阳，有可能是几十亿个，甚至上百亿个。比如在银河系中心，就存在一个大约400多万个太阳质量的超大黑洞。按照理论上的推算，在银河系当中应该有上亿个恒星量级的黑洞，但到目前为止，我们仅发现了不到20个恒星量级的黑洞。

黑洞不会发出任何的光，那科学家又是怎么知道黑洞存在的呢？原来，黑洞有一个围绕自身转动的气体盘，并且有一些从黑洞附近喷射出来的气体物质，在天文学当中叫作“喷流”。正是因为气体盘、喷流会产生辐射，所以人们才能够“看到”黑洞。要注意的是，黑洞“喷流”不是吸到黑洞里然后再喷出来的，而是气体还没有掉入到黑洞之前，从黑洞附近、沿着黑洞转动的方向喷出来的。

一般来说，质量大约为几十个太阳质量的恒星在死亡后会塌缩成黑洞。这是因为恒星内部有热核反应，它本身能够支撑自身的重量，但是当热核用完的时候，就不能支撑重量了，就会形成黑洞。小质量黑洞慢慢碰撞、合并，然后再通过长时间吸积周围气体，最终变成超大质量的黑洞。

黑洞结构与“无毛定理”

当人类观测某个物体的时候，必须要通过一定的媒介，通常这个媒介就是光。所以当光不能传播的时候，我们很难看清。同理，当观测黑洞的时候，因为光都不能传播出来，看到的就只能是一个黑色的区域。而且，从各个方向去看黑洞的时候，都不能看到它，所以黑洞应该是一个黑的球体。

那么，黑洞的物理结构是什么样的？黑洞由3部分构成，第一部分叫作“视界面”。在视界面之内，任何物体包括光都不能逃逸出来，但这个视界面仅仅是一个虚拟界面，并不是实实在在的球体。顾名思义，视界面代表视线可以看到的最远的界面，再到里面根本就看不到了。

想象一下，一个宇航员突然掉到视界面以内，宇航员跟视界面之外的人就没法交流了。因为目前交流信号手段通常用无线电波，无线电波也是光速传播；但是在黑洞视界面之内的物质，只有速度大于光速才有可能逃离出来。无线电波的速度等于光速，所以无线电波也逃离不出去。一旦一个人掉进去视界面以后，自然就跟外面完全隔离开来了。

黑洞视界面球体中心上，还存在一个叫作“奇点”的东西。人类对于奇点的认识是不断变化的，在最开始爱因斯坦相对论出现以后，认为奇点就是一个质量无穷大，但又没有体积或者体积特别小的天体，黑洞的几乎所有质量都集中在这个点上。

随着量子引力的出现，科学家意识到，奇点有可能是有一定体积，但还是特别小。那么，奇点是什么形状的呢？它有可能是一个所谓量子泡沫的东西，就像现实生活中看到的肥皂泡一样。奇点上有好多类似的泡沫，但这些量子泡沫是由许许多多的弯曲空间所构成的。构成黑洞的第三部分就是史瓦西半径，它定义了黑洞的大小。

黑洞的结构非常简单，当然它也可以用很简单的3个物理量——质量、转动和电荷来描述。因为只有3个量，所以通常称之为“三毛定理”，有的时候为了简单，就称之为“无毛定理”。

目前已知的大部分黑洞知识都是在20世纪六七十年代完成的，惠勒、索恩、霍金等是这一黄金时期的代表人物。例如在之前的理解当中，黑洞没有任何辐射，因为不存在任何的光线；但是霍金研究出黑洞还是会有微弱的辐射，现在我们就把这种辐射称之为霍金辐射。

黑洞周围的神奇效果

那么黑洞看起来是一种什么样的图像？在电影《星际穿越》当中展现了令人震撼的一幕——黑洞以及周围的吸积盘。但是你会看到这个黑洞不是对称的圆形，周围的水平方向有吸积盘，上下还有一个圆环，这是为什么呢？

这涉及引力透镜的效应，黑洞密度很大，对时空扭曲非常严重。在这种情况之下，从黑洞后面吸积盘之上所发出来的光线，就会沿着弯曲路线到达观测者的眼中。观测的话，就会看到两个所谓类似于海市蜃楼的圆环，所以上下两个圆环其实反映的是黑洞后面吸积盘的样子。

▲黑洞引力透镜效应示意图

黑洞还有一些非常神奇的效应，比如黑洞周围的时间会变得非常慢，这是广义相对论当中的自然推论。因为时间和空间在一定程度上是等效的，所以在空间被扭曲的同时时间也被拉长，时间被拉长以后就相当于变慢了。在电影《星际穿越》当中，男女主人公等人飞到米勒星球，在星球上待了大约3个小时，但是等他们回到飞船母舰的时候，母舰上的宇航员告诉男女主人公自己已经等待了20多年。

这是为什么？因为米勒星球位于黑洞周围，其所在的时空已被极端扭曲。当人类站在黑洞周围星球之上的时候，时间也相应变慢。但是注意一点，比如说某人能存活60岁，在米勒星球上就可以生存好几百年吗？当然不会，因为这个人的所处时间是相对其他地方变慢，但是个人寿命时间是不变的。

黑洞与引力波的探测

在对单个黑洞的研究趋向成熟之际，黑洞研究热点逐渐转向了双黑洞合并及其产生的引力波，这也是伴随着计算机的成熟而逐渐发展起来的。在1915年，爱因斯坦提出广义相对论，1916年史瓦西推出了引力波的解，但是一直等待了差不多100年的时间，在2015年的时候，人类才真正直接探测到引力波。所以科学的研究从理论提出到最后证实，期间需要无数科学家夜以继日的辛勤付出。

古老遥远的黑洞又像宇宙的信使，通过引力波从远方带给我们有关宇宙的信息。引力波也被称为时空的涟漪，其类似于水里所看到的波纹。不过引力波传播的介质不是水，而是时间和空间构成的一种薄膜。

首次探测到引力波的是美国激光干涉引力波天文台（LIGO），整个过程仅仅持续大约0.2秒。科学家通过分析波形，最终判断产生这次引力波的波源是两个互相绕转的黑洞，一个质量为36倍太阳质量，另一个是29倍的太阳质量，最终合并成63倍太阳质量的黑洞。

在遥远的宇宙中，两个质量约为太阳质量30倍的黑洞旋转舞蹈。它们一开始缓慢地围绕彼此旋转，同时逐渐靠近对方。随着黑洞彼此越来越近，旋转的速度也随之加快，最终，它们“拥抱”合并在了一起。缓慢的旋转可能持续长达十几亿年之久，而在最后的几毫秒里，它们向茫茫宇宙发出了最后的“呐喊”。

这个黑洞大约距离地球13亿光年。也就是说当两个黑洞在合并的时候，地球上单细胞生物才刚刚出现不久。这个引力波经历了非常长时间的旅程，最终被人类所发明的LIGO设备探测到。

▲美国引力波激光天文台LIGO首次探测到的黑洞合并产生的引力波相关数据

引力波的直接探测，不断地改变着人类对宇宙天体的认识，还为人类探索宇宙打开了一个全新的窗口。通过引力波，科学家们发现了一些前所未见的现象。比如能够产生引力波的天体系统都非常大，之前通过传统望远镜所探测到的黑洞质量都是比较小的，但是通过引力波所探测到黑洞的质量都非常大，所以引力波为人们寻找恒星量级的巨大黑洞提供了一种新方式。

从爱因斯坦相对论到霍金辐射，再到黑洞碰撞产生引力波，物理学家们用创造性的思想和实验方法，将黑洞的奥秘娓娓道来。黑洞就如同宇宙带给人类的一件奇妙的信物，不断勾起科学家的好奇心，引领我们在探索中继续前进。期待引力波和电磁波的联合能够给人类认识这个宇宙带来更多的发现。■

（本文整理自12月2日“不知道研究所”第3站活动苟利军演讲，文字已经本人审核，图片来自演讲PPT）