黑洞家族的成員們各是怎樣形成的？

黑洞，是太空中最為奇妙的天體之一，它的強大、神秘莫測讓人著迷。現在，我們只能通過各種精密的望遠鏡遠遠窺探它的周邊物質形態，我們無法確切知道黑洞內部到底是什麼樣的，了解這個神秘的天體，更多地需要開啟強大的想像力。可是，它越是神秘，我們就越想一探究竟。接下來一段時間，請跟隨筆者的文字與圖片，在我們的大腦中開啟一段美妙的黑洞之旅。

圖片：正在吸積的黑洞，噴射出x射線

雖然人類給這個迷人的天體取名為黑洞，但它並不真的是一個空空的洞，相反，黑洞的密度極其巨大（用NASA提供的例子想像一下：把10倍於太陽質量的恆星壓縮到直徑為紐約市大小的球體中，這樣的密度就相當於黑洞的密度），由此產生極其強大的引力，以至於哪怕是擁有299792.458km/s速度的光子，只要足夠接近黑洞，都會被它毫不客氣地吸進去。

儘管黑洞這個術語直到1967年才被美國普林斯頓大學的物理學家John Wheeler（約翰·惠勒）提出，但是關於宇宙中存在一種無比緻密的天體，以至於光子都無法逃脫的假說卻存在了幾個世紀。最著名的，就是由愛因斯坦的廣義相對論所預言的，當一個大質量恆星死去時，它就會留下一個非常小的、緻密的殘核，如果這個殘核的質量大於3倍的太陽質量（一個太陽質量是1.9891*10³⁰千克），由它產生的強大的引力則會吞噬其他一切力量，最終形成黑洞。

科學家們並不能用那些探測x射線、可見光或其他電磁輻射的望遠鏡直接觀察黑洞，但是，他們可以通過探測黑洞對其附近其他物質的影響，推測黑洞的存在，並進行研究。例如，當黑洞經過一片星際物質時，它就會把這片星際物質吸入其內，這個過程叫做「吸積」（accretion）。同樣，如果一個普通的恆星靠近一個黑洞，它也會被強大的引力拉入黑洞的深淵，最後，我們會發現一顆巨大的恆星就這樣被一個小小的黑洞吃掉了。隨著黑洞吸引物質的加速，其溫度也急劇上升，黑洞就會向太空中噴發出大量x射線。

圖片：黑洞Cygnus X-1，這幅圖是用電腦繪製的，描述的是這個黑洞正在吸積旁邊一顆藍色星球的物質

近年來越來越多的天文發現提供了一些非常誘人的證據，表明黑洞會對其附近的物質產生某些戲劇性影響，例如，黑洞會放射出強大的伽馬射線爆發，毀滅其附近的恆星；在有些區域，黑洞會誘發一些新恆星的生長，而在另外一些區域，黑洞可能會減緩恆星的生長。

恆星的終結意味著黑洞的開始

當一顆巨大的恆星壽命終結時，會產生超新星爆發，黑洞就是在這個時候形成的（小一些的恆星死去時會形成緻密的中子星）。從理論上來說，只要一顆恆星的質量足夠大（大於3倍的太陽質量就可以了），一旦進入這個死亡階段，就沒有任何力量可以阻止這顆恆星在引力的影響下持續塌縮，最終形成緻密的黑洞。

恆星的碰撞甚至會產生更大的黑洞。2004年12月，美國宇航局的斯威夫特望遠鏡剛剛啟用不久，就觀測到了強大的、短暫的閃光——伽瑪射線爆發。隨後，錢德拉X射線天文台和NASA的哈勃太空望遠鏡從爆發的餘暉中收集到了相關數據，天文學家們通過這些觀測數據最終得出結論，這個強大的射線爆發是一個黑洞與一個中子星撞擊產生的，而這個撞擊則生成了一個新的黑洞。

黑洞的家族成員：嬰兒、巨人和處在中間的那個親戚

儘管黑洞的基本形成過程已經搞清楚了，但黑洞學界長期以來一直存在著一個謎團，那就是宇宙中的黑洞看起來似乎存在兩個截然不同的尺度大小。

圖片：恆星質量黑洞

在尺度譜上的一端，存在著數不盡的小型黑洞，它們是大質量恆星的殘留物。在整個宇宙中，這些恆星黑洞的質量通常是太陽的10到24倍大。通常，科學家們通過觀測黑洞對其周圍物質（例如恆星、星雲）吸積的過程中釋放大量的x射線，對其進行定位。然而，大部分恆星黑洞在宇宙中孤立存在，是無法被人們觀測到的。根據計算那些質量足夠大，可以產生黑洞的恆星的數量來判斷，科學家們估計僅僅在銀河系中就有多達一千萬到一億個這樣的恆星黑洞。

圖片：特大質量黑洞，哈勃望遠鏡發現的超小型矮星系M60-UCD1

如果說恆星黑洞是宇宙中廣泛分布的居民，那麼在尺度譜上的另一端，黑洞界的巨人——特大質量黑洞，則在宇宙中處於支配地位。特大質量黑洞的質量大約是太陽的數百萬甚至數億萬倍，但它的半徑卻和太陽差不多。

天文學家認為，特大質量黑洞存在於幾乎所有的大型星系的中心區域，甚至包括銀河系在內也有這樣的黑洞。人們可以通過觀察這些黑洞對其附近的恆星和氣體的影響發現他們的蹤影。這些特大質量黑洞一旦形成，就會繼續大量地吸積周圍的氣體和塵埃，以及星系中心豐富的其他物質，於是這樣的黑洞就會越來越大。

關於特大質量黑洞的形成機制，有一種說法是，特大質量黑洞是成百上千個恆星黑洞互相融合的結果。此外，還有一種假設是由巨大的氣體雲迅速塌縮形成。第三種說法是，在緊湊的星團中，恆星間的相互碰撞產生一系列連鎖反應，形成質量極其巨大的恆星，然後這些質量極其巨大恆星塌縮，會形成數個中等質量黑洞。繼而，這個星團會沉入星系中心，其中的中等質量黑洞又會相互合併，最終形成特大質量黑洞——這個假說同時引入了中等質量恆星的存在。

曾經，很多天文學家都認為並不存在中等質量的黑洞。然而，錢德拉X射線天文台、XMM-牛頓衛星和哈勃望遠鏡對太空的觀測卻為中等質量黑洞的存在提供了支撐。2014年，天文學家發現在一個螺旋星系的螺旋臂上，彷彿有一個中等質量黑洞。英國杜倫大學的Tim Roberts在一份天文學的聲明中說，「天文學家們正在努力尋找中等質量黑洞的身影，」「對於它們的存在，有很多暗示，但是這些中等質量黑洞就像失散多年的親戚一樣，它們對被人類發現這件事並不感興趣。」