這次引力波沒黑洞什麼事兒，那它們幹啥去了？

編者按：就在剛才，中國天文學家與LIGO/Virgo科學合作組及全球各主要天文台，共同發布了一個大新聞：引力波發現雙中子星相撞。

在此之前，科學家已經探測到，兩個黑洞合體會產生引力波；這次的發現則意味著，我們觀測到了1.3億光年外，兩顆中子星的盛大合體。

咦，那黑洞們幹啥去了？據說，它們正在本超星系團中央舉行布萊克豪爾家族聚會，年長的年幼的全來了，還有助興表演，熱鬧程度不亞於中子星最後的舞蹈。

正如之前一樣，每10億年一次的布萊克豪爾（black hole/黑洞）家族聚會又準時召開了，來自宇宙各處的大大小小的家族成員又一次聚集在本超星系團的中央。我當然不能錯過這一次聚會，所以前一段時間匆匆從本超星系團的外沿區域飛躍了大約3千萬光年的距離，才趕到這次聚會的會場。

對了，我似乎還沒有介紹過我自己，我是人馬座A，居住在銀河系中心。作為家族裡比較年長的一員（好吧，我其實已經忘記了我到底多少歲了，不過看看我家邊上那些恆星，我敢肯定我超過130億歲了，反正像我這個年紀的黑洞，大家也都出生在差不多的時間段里，大或小個幾十萬歲也沒差啦），這次家族聚會不來參加也實在說不過去，所以還是不得不來啊。

▲ 來源：JOSH VALENZUELA / UNM

沒想到只是10億年的時間，家族成員似乎又比原來多了不少，挺多小朋友上次都沒見過，應該都是最近剛剛誕生的吧。你看這個小傢伙，圓頭圓腦的，上次就沒見過。像它們這種質量超過約3倍的太陽（我們那兒一顆普通的恆星），但是又不至於超過100個太陽質量的傢伙一般都稱作恆星級黑洞。

它們的誕生往往就這麼幾種途徑：

1. 大質量恆星（一般認為3倍太陽到幾十倍太陽質量）塌縮形成的。這些大質量恆星通過氫燃燒、氦燃燒、碳燃燒等一系列熱核反應逐漸將能量釋放出去形成鐵，最後由於質量過大而塌縮變成黑洞；

2. 中子星通過引力逐漸將與它相互繞轉的恆星上的物質吸過來據為己有，直到它的質量變得太大，以至於中子星內部的中子簡併壓*無法抵禦自身引力產生的向內收縮的效應，於是塌縮形成黑洞；

* 簡併壓，可以簡單理解為中子之間斥力所產生的抵抗引力的一種壓力。

3. 一顆中子星與一顆白矮星或者另一顆中子星碰撞合併在一起，非常快速地形成一個新的黑洞。

這些小質量的傢伙們，逮到周圍有恆星就老想把恆星上的物質給搶過來吃掉，真是貪吃。當然我們家族裡基本上沒有不貪吃的，只不過有些傢伙吃的比較慢，有些則是平時吃太快，結果身邊總是斷糧*。哎呦，抱歉我這老毛病又犯了，逮到一個機會就想給大家介紹介紹這些有用沒用的知識。我們還是接著在這會場里逛逛吧。

* 目前研究表明，每個星系中心都有一個超大質量黑洞，其中有的正在吃周圍的物質，大多數則處於沒有吃東西的平靜狀態。為什麼會這樣尚無明確結論，一般有兩種猜測，一是黑洞周圍的物質在大尺度上沒有得到及時的補充，另一種是黑洞局部吞噬物質太快，產生了間歇期。

對了，我還沒有告訴你們，我們黑洞為什麼這麼喜歡吃東西呢。其實我也是看到我們那兒一個叫地球的行星上智慧生物（他們自稱人類）的研究結果，才知道我們貪吃的緣由的。他們發現我們的密度實在是太大，導致周圍的空間發生了扭曲，即使是運動速度最快的光，只要靠我們近一些就再也無法逃走。不知道是出於好奇，還是對我們本能地恐懼，人類這一百年來一直在對我們不斷進行研究。

前面那個小夥子，上次我也見過它，感覺長大了不少啊，一定是平時吃得比較多。它們這種中等質量黑洞，就比剛剛那些小不點要大的多了，一般質量都是幾萬到幾十萬倍太陽質量。人類（剛才提到的那些普通生物）認為，這些中等質量黑洞要麼住在球狀星團里，比如M31仙女座大星系裡的G1星團，要不住在一些星系緻密的恆星形成區*里，也有些質量稍微偏大一些的會住在一些旋渦星系的中心，比如NGC 4395。

* 可能與那些年輕的恆星星團有關，比如恆星形成活動非常劇烈的M82星系內的恆星形成區域，這些黑洞往往一邊吃東西一邊釋放齣劇烈的X射線輻射，被人類稱作極亮X射線源。

我就不告訴這些人類其實啊，中等質量黑洞都住在……算了不能白白把這些告訴人類，還是讓他們自己去研究吧。

當然這次聚會上的主角還是我們這些家族裡的老前輩——超大質量黑洞了，我也是這其中的一員。

我們質量一般都比較大，比前面說的那些中等質量黑洞還要大上2-3個量級，一般都有百萬甚至到百億倍太陽質量。我們這種大傢伙一般都待在星系的中心。而且就如同前面介紹的這些傢伙一樣，我們也是比較貪吃的，喜歡把我們能看到的不管是氣體還是恆星都吞噬掉。我們一般通過引力把周圍的東西都拽過來，這些拽過來的物質總是會形成一個盤狀結構*，然後我們就站在盤子的中央，從內一層一層地吃掉這些物質。

* 這個盤狀態結構叫做吸積盤。

我們年紀都比較大，基本和宇宙的年紀差不多。我其實也記不得我們到底是怎麼誕生的了，誰又能記得剛剛出生時候的事情呢，你們說是吧？人類通過研究說我們有可能是在宇宙產生的初期具有一些原初的密度不均勻性，這些不均勻性會直接產生原初的種子黑洞（也就是我們的嬰兒時期了），然後通過不停地吞噬周圍的物質從而長成現在這個樣子的。我當然不記得真實情況到底是怎樣了，不過總還是對這些人類的研究結果表示將信將疑。由於我們這種超大質量黑洞的體量非常大，所以吞噬物質的速度也很快，不過每次被吸過來的物質還是有不少吃不下去的，得一邊吃一邊被我們吐掉*（哈哈）。

* 黑洞一邊吃物質一邊向外吐主要有兩種機制：1）一種是物理上為了讓周圍的物質能夠掉落到黑洞里來，在形成吸積盤後其中必須有一部分的物質將角動量轉移出去，使得其他物質能夠向內掉落；2）另一個機制是在很靠近黑洞的地方，由於有磁場的存在，會形成聚焦性極好的高速相對論性噴流，從而將物質纏繞著磁場一起噴射出去。

▲ 來源：JPL / NASA

對了，我記得人類其實也就是這麼短短一百年來才對我們布萊克豪爾家族有所認識的。最早的時候他們看不見我們，僅僅只是用筆和紙就利用一個叫愛因斯坦的人發現的所謂廣義相對論的理論，通過計算就猜測到我們存在了，現在想想真是非常的了不起。

當然由於觀測條件的限制，他們最開始都是從理論上來尋找我們的，所以他們有一波人也喜歡基於這一套理論來給我們家族的成員分類。

愛因斯坦在人類歷1915年提出廣義相對論之後，一個叫卡爾?史瓦西（KarlSchwarzschild）的人於1916年找到了第一個時空解*。他發現時空會存在奇異性，即在某個點處時空的內稟曲率**會在該點處發散，而包裹這個奇異點（也叫奇點）的外部存在一個半徑，在這個半徑之外的觀測者只能了解到這個半徑之內的一個物理屬性（質量），並且如果觀察這個半徑處，會發現所有的光線都變得無限地紅，時間流逝也無限緩慢（所以這個半徑也稱為無限紅移面），而這個半徑內的任何物質甚至包括光都無法逃離這個半徑。後來人類用這個解來描述不旋轉的靜態球對稱黑洞，所以也就把這類黑洞稱為史瓦西黑洞。

* 最早通過廣義相對論研究黑洞實際上是對黑洞周圍的時空進行研究，並研究光和物質在這樣的時空中的運動規律，因此稱為「時空解」。

** 這裡曲率指的是時空的彎折程度。

▲ 插畫：Diana Battefeld, Horizon Crossed, 2015

之後很快，賴斯納（Reissner）和納自敦（Nordstrom）兩人又分別於1916年和1918年獨立地發現了帶電不旋轉黑洞的解，這種黑洞從此被他們稱作賴斯納-納自敦黑洞。他們認為這種黑洞擁有內外兩張無限紅移面，靠外的面稱作r+，靠內的稱作r-。在r+之外的觀測者看向黑洞會覺得r+的時鐘無限變慢，而在r-內的觀測者向外看又會看到r-的時鐘無限變慢，且那裡的光會產生無限紅移。

又過了一些時間，另一個叫羅伊?·克爾（Roy Kerr）的人類在1963年發現了帶旋轉黑洞的周圍時空的解，這種黑洞比前面兩個的情況更複雜，這種黑洞存在兩個球對稱的視界和兩個非球對稱但軸對稱的無限紅移面，且視界和無限紅移面相互之間分開了，這種被稱為克爾黑洞。

最後還有一種既帶電又在旋轉的黑洞的時空解被紐曼（Ezra Newman）在1965年發現，這種解作為一個更加普適的解能夠包含前面三種情況。這種黑洞被人類稱為克爾-紐曼黑洞，它們在結構上與克爾黑洞非常相似，但是情況更加有意思，克爾-紐曼黑洞在特殊的情況下有可能出現內外兩個視界都消失的情況，內部的奇異點（這時已經不是一個點了，而是一個環）有可能會裸露到外界，向周圍釋放出不確定信息，破壞時空的因果性。一個叫彭羅斯（Roger Penrose）的人提出了所謂宇宙監督假設，認為存在一位宇宙監督，它禁止裸奇點出現。好吧，其實我也沒見過裸奇點，所以也不敢在這裡下什麼結論。

▲ 來源：NASA E/PO

簡單總結一下，人類里的理論學家喜歡按照這一套標準，把黑洞分類成：

不帶電不旋轉的黑洞：史瓦西黑洞

帶電不旋轉的黑洞：賴斯納-納自敦黑洞

不帶電旋轉的黑洞：克爾黑洞

帶電且旋轉的黑洞：克爾-紐曼黑洞

這幾種黑洞的具體情況就等到以後有空再更詳細給大家介紹介紹，而且之後的黑洞無毛定理，霍金輻射什麼的也就到時候一起給大家介紹啦。不過我想說的是，這只是那些人類從理論上給我們按照帶不帶電、旋不旋轉分的類，我還是喜歡按照質量大小給我們分類。恆星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞——按個頭大小三種區分我們，多麼簡單吶，多容易理解，人類那套東西我就不太能完全搞的清楚。人類就喜歡把啥都分得特別清楚，可是他們到現在也就找到了那麼幾個黑洞帶有旋轉的證據，其他幾十萬個黑洞，也就僅僅對它們的質量有一個粗淺的認識，我們家族裡剩下的千億萬億個黑洞的具體狀況其實他們壓根就完全不了解（笑）。不過這些人類了解這些信息也只花了短短一百年（對我們黑洞而言真的只是一瞬間而已），再給他們一些時間估計他們也就都能了解清楚了吧（再笑）。

▲ 插畫：CaseyNealArtwork/DeviantArt

聊天就聊到這裡，聚會馬上就要正式開始了，真不知道這次有什麼表演，我還挺期待的，記得之前就有幾個超大質量黑洞兄弟表演了把吃的東西噴出去老遠*，還有兩個黑洞兄弟繞在一起表演了一個舞蹈，希望這次也的聚會上也能有一樣精彩的表演。不多說了，我去看錶演了，大家下次再見！

* 噴了快有幾萬光年遠，那些人類把這個稱作噴流。

- 本文首發於《科幻世界》「不存在日報」專欄 -

關鍵詞：#黑洞# #天文#

責編：Raeka

作者：杜璞，一個算是戰鬥在一線的天文工作者，主要研究超大質量黑洞、活動星系核，遊歷於觀測與數據的汪洋大海之中。