牛頓＆愛因斯坦的黑洞

黑洞是根據天體物理和宇宙學理論，借助愛因斯坦的相對論而預言的存在於宇宙中的一種天體。關於黑洞的描述、模型的確立和在宇宙中尋找黑洞，目前來說都還是比較錯綜複雜的。簡單來說，黑洞就是一個質量相當大、密度相當高的天體，它是在恒星的核能耗完之後發生引力坍縮而形成的結果。由於光線無法逃逸，這個逃逸其實是加引號的，所以黑洞不會發光，不能用光學天文望遠鏡就看到它。但是天文學家可以通過觀察黑洞周圍的物質被吸引的情況，找到黑洞的位置，發現並且研究它。

對於我們目前研究的黑洞，基本上是根據它的質量大小而分類的，分辨標准是黑洞能有多少個太陽的質量。一般來說三到二十個太陽質量這樣的黑洞，我們把它叫恒星級黑洞，六到八十個太陽質量是活躍度非常強的黑洞，而質量達到百萬甚至上百億個太陽質量的就是超大質量黑洞，也稱為星系級黑洞，質量在一百到一千個太陽質量的黑洞稱為中等質量黑洞。目前這樣的黑洞發現的數量非常少，所以也被稱為黑洞沙漠。

咱們先來聊聊恒星級黑洞，就是三到二十個太陽質量的黑洞。x射線雙星是由一顆輻射x射線的致密天體和一顆普通的恒星組成的雙星系統。其中致密天體可能是黑洞、中子星或者是白矮星，當這個致密天體為黑洞的時候，我們就稱之為黑洞x射線雙星。那麼我們怎麼才能知道其中的致命天體是黑洞呢？在x射線雙星裏，中心致密天體通過星風襲擊伴星的物質，也就是說把這個伴星給它吸進去。這個過程會形成圍繞著黑洞旋轉的吸積盤，對於恒星級質量的黑洞或者中子星來說，吸積盤內區域溫度會非常的高，輻射主要在x射線波段，所以我們更容易從這個波段發現他們。對於有兩個天體組成的繞轉系統來說，如果軌道角度合適，我們就有可能看到食現象。比如說在我們太陽系看到的就叫日食了，這樣我們就可以觀測到周期性的變化，作為伴星的恒星譜線會呈現出正弦多普拉未移效應，這種效應也可以得到繞轉周期。通過這樣的效應，我們就可以很好地確定它伴星的質量。

在二十世紀六十年代，通過x射線觀測，我們發現天鵝座x1是一個非常強烈的x射線源，它的伴星是一顆超巨星，質量大約為二十個太陽質量，它的軌道周期大概是五點六天，通過譜線的多普勒效應測到的速度大概是七十公裏每秒。計算發現這個x射線源的最小質量也應該是五到十個太陽質量，這個就遠遠超過了白矮星或者中子星的質量上限，所以他很可能就是黑洞。當時這個圓被認為是第一個黑洞的候選體，隨後在一九七二年被證實，到目前為止，在我們的銀河系裏就已經發現幾十顆這樣的黑洞。x射線雙星候選體大小大概就是五到二十個太陽質量，當然還有更多的黑洞還在黑暗中沉睡。

我們再來說一個現象，叫黑洞舞者，是由六到八十個太陽質量組成的雙黑洞。二零一六年二月十一號，美國激光乾涉引力波天文台，也就是著名的LIGO宣布人類首次發現了引力波，證實了愛因斯坦百年前的預言。二零一九年四月一日，LIGO升級之後恢複開機，啟動第三輪引力波探測。這次升級之後，LIGO的靈敏度比以前提高了百分之四十，今後也將會探測到更多的黑洞合並事件，有可能從之前的探測到一次每月增加到每月數十次，從而使引力波事件成為常態，特別是有可能探測到以前沒有看到的黑洞和中子星合並所發出的引力波。在前兩輪的探測裏，雙黑洞質量範圍大概是六到四十個太陽質量，合並之後形成的黑洞質量在十到八十個太陽質量，這個大大突破了以前通過x射線雙星確定的黑洞質量。

然後我們說說巨型黑洞，就是幾百到百億個太陽質量的星系級黑洞類星體，是二十世紀六十年代四大天文發現之一，另外三個發現分別是脈沖星、微波背景輻射和星際有機分子。類星體是一種星系，但是看上去非常的致密，像恒星，因此得名類星體。這類天體紅移很高，目前最高大概是七，也就是說它遠離我們的速度達到了零點七倍的光速，距離地球可以達到一百億光年以上，這麼小的體積能夠持續發出那麼強烈的輻射，這種輻射不可能來自於普通星系那樣的恒星發光，因此天文學家一直對這類天體的能源機制感到困惑。

   搜

後來人們慢慢開始意識到，這種星系中心可能存在一個巨型黑洞，有一個高速旋轉的吸積盤圍繞著這個巨型黑洞，吸積盤可以把一部分物質的引力變為熱能，並且輻射出去。除了類星體以外，人們想到可能所有的星系重心都存在著一個巨型黑洞，從星系演化的角度來說，可能其中心的巨型黑洞不僅僅是被星系造就，它的存在也嚴重影響了整個星系，乃至宇宙的演化。我們銀河系中心就存在一個巨型的黑洞，歐洲天文學家賈森等人利用該黑洞周圍數十顆恒星動力學的測量，測得這個黑洞的質量大概是四百萬個太陽質量。這個恒星動力學，是說黑洞周邊沒有掉進黑洞的恒星會得到黑洞的加速，用這個現象我們可以判定黑洞的存在。

最後我們來說一下中等質量的黑洞，也就是前面說的黑洞沙漠。相比於較為公認的超大質量黑洞和恒星級黑洞，中等質量黑洞存在的證據可以說是初露端倪，大家的認可度還不是特別高。初步的候選有兩種，第一種是矮星系中心的黑洞，由於我們發現黑洞的質量和這個星系的總質量存在比較好的相關性。因此中小星系裏可能會發現中等質量的黑洞，這類矮星系可能沒有經歷主要的合並過程，因此也沒有長大。第二類的候選者就是極量或者超量x射線源。這類源一般位於星系的非中心位置，但是光度可以達到十的三十九次方爾格/秒，甚至到十的四十二次方二個爾格/秒以上，也就是說它們輻射出來的光度遠超過恒星級黑洞的光度。

有一個星系叫ESO 243-49，邊緣的HLX-1是一個特殊的極量x射線源，大概每四百天爆發一次，最高光度可以超過十的四十二次方格爾/秒，從它的x射線部分、黑體譜還有它的基盤不穩定性等等方式我們都能算出來，它的質量大概是十的四次方到十的五次方個太陽質量。所以這個圓是中等質量黑洞最好的候選體之一，球狀星團也是中等質量黑洞存在的熱門候選天體，當下已經利用多種方法尋找搜索，但是結果都不確定。相對比而言，中等質量黑洞這一領域似乎還是一個沙漠地帶，對理解黑洞形成和演化來說，尋找中等質量黑洞將起到至關的作用，或許不久的將來，隨著更高靈敏度、更大視場的望遠鏡或者空間引力波計劃建成，中等質量黑洞的沙漠能變成綠洲。

前面我們說了幾個和黑洞相關的名詞，他們都和黑洞的表現有關系，我們下面就來聊一聊黑洞有什麼表現。首先是噴流和吸積盤。黑洞的貪婪我們都知道啊，但是有一小部分黑洞還是沒有那麼貪婪，他會把其中一部分物質以極高的速度拋向宇宙空間，這就是所謂的噴流。噴流已經在很多不同尺度的天體中都發現了，比如說黑洞、x射線、雙星、超大質量黑洞天體、大質量恒星坍縮或者雙子星合並導致的伽馬射線暴等等。目前關於噴流的產生機制依舊是一個謎，特別是黑洞附近的等離子體如何被加速到接近光速遠離黑洞的？

由於星系等離子體都帶有一定的磁場，當這些等離子體被黑洞俘獲之後會向黑洞靠近，等離子體中的磁場也會隨著等離子體一邊旋轉一邊向黑洞靠近，形成螺旋形的結構，一些還沒有掉進黑洞的等離子體就有可能順著磁力線改變方向，被黑洞加速噴出來，從而遠離黑洞。在一定的距離以後，速度可以達到零點九甚至零點九九九倍光速以上，這就形成了我們看到的相對論性噴流現象。如果這種噴射正好指向我們地球的方向，我們看上去就類似於類星體，也就是說在很小的範圍內產生極大的能量。

相對論效應導致噴流的輻射會被放大好幾百，甚至是好幾萬倍，以至於我們看到的輻射可能完全由這種噴射流輻射主導，黑洞、吸積盤或者星系的輻射就完全看不到了。噴流對理解很多高能天體物理現象有著至關重要的作用，但是總體而言，我們對噴流如何形成、能量從哪裏來、如何加速、能量如何耗散等關鍵物理過程都知道的非常少。從力學角度來說，黑洞的定義可以是一個時空區域，其中引力場十分強大，以至於任何物質都不能逃離出去，它具有非常高的物質密度，體積是由史瓦西半徑來確定的。

由於黑洞的中心是一個起點，它的密度遠遠比宇宙中其他物質的密度大得多，幾乎無法用數字去描述。黑洞也能產生潮汐，引力大小決定於物質的密度，密度越低，黑洞外部時空彎曲越小，而在黑洞的世界面上引力為零。用經典觀點來解釋呢就是在世界上，黑洞的離心力與引力抵消了。坍縮成黑洞之前的恒星一般都具有磁場，形成黑洞之後，他們還是會從星際介質中吞噬帶電的粒子，比如說。電子或者質子，所以黑洞是具有電磁性質的，但是黑洞帶電的總量是受到限制的，超過一定的限度，黑洞的世界就會被向外排斥的強大的電子斥力摧毀，帶電的限度和它的質量是成正比的。由於引力的存在，時空就不是我們多少年來理解的那個概念了，時空變得彎曲了，時間也不再是絕對的，而是變得有彈性了，甚至在一定的情況下會發生凍結，特別是在高密度的中心區域，空間彎曲得更明顯。

科學家們發現，一個遙遠的星體發出光線，在通過很長的距離傳到我們地球的時候，我們會同時看到好幾個圖像，這個就是因為光線在傳播的過程中，受到沿途的其他星體質量、引力的作用，使光線產生了偏折的原因。許多黑洞就是靠這種光線彎曲的測量而被探測到的。按照黑洞的研究理論，黑洞是一個單向門，無論什麼樣的物質只能進而不能出去，坍縮的最後結果造成黑洞內部的物質成分都是一樣，原子裏面的電子被質子俘獲，變成了相同的中子。所有進入世界的物質只能改變黑洞的質量，最終黑洞只需要質量、角動量、電荷這三個參量完全確定它的施工結構，這個結論就是由惠勒提出，1973年霍金等人證明的“黑洞無毛定理”。

也就是說除了質量、角動量、還有電量這三根毛之外，靜態黑洞的其他毛全都消失了，感覺應該叫三毛定理。意義就是告訴人們，黑洞與引力坍縮之前的物質種類沒有關系，也跟物體的形狀沒有關系。引力坍縮丟失了幾乎全部的信息，任何有關黑洞形成之前的大量複雜的信息都不可能在黑洞形成之後知道，人們能夠得到的只是黑洞最終的質量、旋轉速度，還有他帶多少的電。

這裏面說到的霍金可以說是大名鼎鼎了，他還做出了另外一項重要的貢獻。我們都知道，真空是量子場系統的能量最低狀態，由於真空有漲落的效應，真空裏會不斷有各種各樣虛的正、負離子對產生，但是不允許有實的負能量存在，正負離子盾產生之後很快會消失，都不能被直接觀測到。但是由於黑洞的單項膜不同於一般時空，在那裏允許存在極短的負能態，然而在世界外部緊靠世界的這個地方，如果產生了這樣的漲落，就有可能通過量子力學裏的隧穿效應，穿過邊界進入到黑洞內部。同時正粒子會跑到無窮遠的地方，而負離子就進入黑洞了，於是就會有粒子從黑洞逃逸出來，這個就是著名的霍金輻射。

黑洞的霍金輻射說明它的能量隨著波長分布，等同於1990年普朗克的黑體輻射公式，所以黑洞是具有一定溫度的天體。有研究表明，當黑洞溫度比周圍溫度低的時候，黑洞向外輻射小於從外界吸收的質量，黑洞的質量就會增加。反過來，當黑洞的溫度比周圍溫度高的時候，黑洞就會逐漸蒸發，以至於最後消失，所以黑洞的壽命和恒星正相反，它的質量越大壽命越長。

   搜

聊到這兒呢，整理的關於黑洞的內容基本上就聊完了，但是我們再稍微加一點餐，咱們聊一個稍微有意思一點的話題。如果黑洞穿過地球會發生什麼事兒？在宇宙裏，有無數的黑洞隱藏在不同的區域裏，根據推測，僅僅是我們的銀河系就至少有幾百萬個黑洞。那這麼多的黑洞會不會哪天其中一個就竄到太陽系附近呢？如果他們真的能夠竄到太陽系的周邊，能夠預見，這件事對我們來說絕對是毀滅性的災難。好在宇宙的空間是如此之大，即使是上百萬個黑洞也分布得非常稀疏，我們不太可能遭遇黑洞。那麼咱們就講，假如這黑洞真的靠近地球，我們會看到什麼現象呢？

首先我們的大氣會首當其沖受到滅頂之災，由於黑洞的引力太過強大，地球的大氣將會被直接剝奪走，地球表面會形成一個超級龍卷風，攜帶著巨大的能量全部湧入黑洞之中，當然我們也會被風裹挾著飛進黑洞。假設有一個超能力的人，不但不會被黑洞吸走，而且不需要呼吸，在沒有空氣的地球上還能生存。那麼他接下來會看到什麼呢？當黑洞的引力越來越強，連地表也無法承受黑洞的引力，地面就會開始撕裂，岩漿開始迸發，當所有的物體都被吸進去之後，這位超人也在劫難逃，被吸進黑洞。

我們知道一個物體受到另一個物體的引力的大小和距離有關，由於黑洞的引力太過巨大，即使一米多長的人，頭和腳受到的引力也會有巨大的差別，在這樣的條件下，這個人會被拉得特別長，而且離得越近、拉得越長，人會變得比一根面條還要細。在他進入黑洞的世界範圍以內之前，他看到的將是一片漆黑，當它穿過世界範圍的邊界那一瞬間，它的本質也會發生變化。最終在黑洞的起點內，這個人被徹底的分解、完全消失，轉化為能量儲存在起點裏，等待著黑洞霍金輻射回到宇宙空間，或者等到起點大爆炸的時候成為新天體的養料。

那麼如果黑洞靠近地球，人類該怎麼辦呢？這個要取決於黑洞的質量和速度，第一種做法就是什麼也不做。如果黑洞不是太大，我們的宇宙中有很多這樣的微型黑洞，比如說它的質量小於地球的百分之一，那麼人類還有很好的生存機會。假設它以兩百公裏每秒的速度行駛，質量為地球的百分之一，並且與地球直接相撞。當這個黑洞接近地球的時候，你會感到重力的方向有微小的變化，取決於黑洞達到地球時你在地球上的位置，除非非常靠近的地方，否則你不需要將任何東西拴到地面上。但是你肯定不想離他太近，在六百千米左右的範圍裏都會感到來自黑洞大概一個g大小的拉力，在三百公裏以內拉力將達到四個g，但是持續的時間只有兩到四秒，所有的東西都必須用螺栓固定住，距離一百五十公裏處的將遭到大規模的破壞，在五十公裏範圍內會遭到徹底的破壞。但是如果黑洞更大，並且行進速度更慢，那麼破壞就會成倍的增加，當一個有地球質量百分之十的黑洞以五十公裏每秒的速度行進的時候，將徹底毀滅一切。

我們可能做的第二件事，是推動地球偏離現在的軌道，只需要把地球的軌道推出幾十公裏，這個取決於黑洞的質量，推動地球需要建立大量的氫、鈾和火箭、巨大的離子推進器，不過這個也需要大量的時間才能完成。如果黑洞非常大，有一個太陽質量那麼大或者是更大，那麼我們就需要離他一億公裏以上，否則它也會嚴重破壞地球的軌道，讓氣候遭到破壞。

最後我們能做的事可能就是星際移民了，未來我們可能會使用一種方式，當地球不能夠支持人類的生存或者地球遭到威脅的時候，我們可以移民到火星或者其他外星球。那關於星際移民以及外星球的事，以後我找到相關的資料再整理起來給大家看。

好了，這個就是今天的全部內容了，歡迎大家多多指正，喜歡可以點點關注