2018快結束了，我們能夠看到黑洞了嗎？

黑洞是一種引力極強的天體，就連光也不能逃脫。當恆星的史瓦西半徑小到一定程度時，就連垂直表面發射的光都無法逃逸了。這時恆星就變成了黑洞。說它「黑」，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質一旦掉進去，「似乎」就再不能逃出。由於黑洞中的光無法逃逸，所以我們無法直接觀測到黑洞。然而，可以通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測到它的存在。

2014年，一部火熱的電影《星際穿越》影片中，隨著地球自然環境的惡化，人類面臨著無法生存的威脅，但科學家們在太陽系的土星附近發現了一個蟲洞。在通過蟲洞的時候，飛船上的一個小時竟然相當於地球上的七年時間，到達遙遠的外太空尋找一顆適合人類移民的星球，也是給人類尋找延續生命希望的機會。但現實生活中，黑洞真的存在嗎?跟著51區小編一起來探究黑洞唄!

你一定知道黑洞。你知道它是一個質量極大密度極大，以至於光都無法逃離的超級天體。在你的印象中，它可以吞掉膽敢靠近的任何物質，是宇宙中的「大惡魔」。

然而你有沒有想過，既然連光都逃不出，我們要如何才能看到，或者說觀測到這些隱藏在遙遠宇宙中的黑暗天體？這篇文章將回答這一問題，帶你了解看見黑洞的N種方法。

當然在這之前你必須知道，類似下面這樣的黑洞圖片，都是想像圖（假的）。

黑洞長啥樣？

這樣：

不，其實是這樣：

沒錯，黑洞是空的。

黑洞是一個奇點，一個密度無限大而體積為零的奇點——等等，你一定是騙我，黑洞是有體積有邊界的，我看過電影的你別騙我！

你所說的邊界是「事件視界」，event horizon。在這個邊界之內的所有物質，包括光，都無法逃脫中心奇點的引力，唯一的命運就是向中心的奇點加速靠近，然後融為一體。從黑洞外部看來，視界之內的空間只有黑暗。所以，視界也就成為了公認的「黑洞邊界」。

視界的範圍有多大？換句話說，黑洞有多大？

對於沒有自轉的黑洞，下面的公式給出了視界的半徑（史瓦西半徑）：

簡單來說，黑洞的半徑與黑洞質量成正比，與太陽質量相同的黑洞半徑只有2.95千米。男性大學生3千米長跑的及格成績約為14分40秒。這個從一頭跑到另一頭只要半個小時的空間，卻是中心質量與太陽相當，任何物質都無法逃脫的 black hole。

黑洞 Black Hole 這一詞語是美國記者 Ann Ewing 在1964年的一篇新聞報道中首先使用的，這篇報道題為「Black Holes in Space」。這一形象說法在1967年被理論物理學家 John Wheeler 使用後，逐漸得到學界認可。

黑洞都在哪兒？

質量不太大（幾個幾十個幾百個太陽質量）的黑洞的分布和一般的恆星沒有什麼區別，而值得格外關注的是，在絕大部分星系的中心，都存在著一個超大質量（幾十萬到幾百億個太陽質量）的黑洞。在銀河系的中心，這個黑洞被稱為「人馬座A*」，質量約為太陽質量的430萬倍。

銀河系中的太陽系。

下面進入正題（前奏確實有點長……），我們如何看見黑洞？

黑洞真的只進不出？霍金說，NO！

1975年，霍金提出了「霍金輻射」，認為黑洞可以向外「發射」粒子，這些粒子從黑洞中帶走能量，會使黑洞逐漸「蒸發」。

明明引力大到光都逃不出，霍金輻射是什麼鬼？霍金給出的解釋涉及到了量子場論中的一種「玄幻現象」。

在這個理論中，真空中會自發地產生虛粒子對（由於曾被認為無法觀測，這種真空中量子漲落產生的粒子被稱為虛粒子），兩個虛粒子一個為正粒子一個為反粒子，並且一個攜帶正能量一個攜帶負能量，因此並不破壞物質守恆和能量守恆定律。通常情況下，這一對虛粒子會在極短時間內互相湮滅。

然而，如果這一過程發生在黑洞視界的邊緣，就存在這樣一種可能：負能粒子被吸入黑洞，而正能粒子逃離黑洞。從黑洞外部看來，這逃離的正能粒子，就是由黑洞發出的「霍金輻射」。在這個過程中，黑洞吸入負能粒子，內部能量降低，產生「蒸發」。霍金認為，由於黑洞外的普通時空不允許負能粒子的穩定存在，正能粒子進入黑洞而負能粒子逃離的現象不可能發生。

那麼，霍金輻射能夠被探測到嗎？我們能夠通過探測霍金輻射而「看到」黑洞嗎？

很遺憾，很可能不能。

霍金輻射的強弱與黑洞質量負相關，黑洞越大霍金輻射越低。一個太陽質量黑洞的霍金輻射強度只有100納開爾文，遠小於2.7開爾文的宇宙背景輻射，而更大質量黑洞的霍金輻射更小。所以，想要在「嘈雜」的宇宙背景音中識別出來自黑洞的霍金輻射可以說幾乎無望。

黑洞越大霍金輻射越低，反之，黑洞越小霍金輻射越高。正是因為這一原因，科學家們才認為在實驗室中製造黑洞是安全的，因為這些人造小黑洞的霍金輻射非常高，會在極短的時間內蒸發殆盡。

下一個問題是，既然探測不到來自黑洞的霍金輻射，我們怎麼才能知道這種輻射是真實存在的？

2016年8月，以色列理工學院物理教授 Jeff Steinhauer 在雜誌上發表了一篇論文，他在實驗室中一個由玻色-愛因斯坦凝聚態創造的「聲學黑洞」中觀察到了霍金輻射。

顧名思義，聲學黑洞是聲音無法逃出的類黑洞，它和真正的黑洞一樣，也具有霍金輻射。Steinhauer 教授的這一工作用類比告訴我們，黑洞的霍金輻射極有可能是真實存在的。「科研圈」曾對這一成果進行了詳細的採訪報道：模擬引力：實驗室中的終極理論之夢

說了半天，黑洞不是只進不出，它還有霍金輻射，然而並沒有什麼卵用，我們還是看不見它。對於這個無法直接觀測的神秘天體，我們看見它的唯一途徑只有間接觀察：捕捉它與宇宙中其他物質發生相互作用時產生的片片漣漪。

看見黑洞第一招

恆星繞著黑洞轉

前文提到，在絕大多數星系的中心，都存在著一個超大質量黑洞。正如地球繞著太陽轉，星系中的恆星也都繞著這個超級黑洞旋轉著。

從1995年起，天文學家開始對銀河系中心「人馬座A*」區域附近的90顆恆星進行軌跡觀測和記錄，這些記錄清晰地顯示：所有恆星都圍繞著一個黑暗的中心運動著。20年中，這90顆恆星中的一顆名為S2的恆星完成了一次完整的繞行。根據S2的軌道數據，我們終於計算出了銀河系中心這個黑暗天體的基本數據：質量約430萬個太陽質量，半徑約為0.002光年。這樣一個高密度不發光的天體，幾乎只可能是黑洞。

看見黑洞第二招

黑洞吃東西：發出X射線的吸積盤

根據角動量守恆原理，在物質逐漸靠近並被吸入黑洞的過程中，物質（比如一顆恆星）會被黑洞的巨大引力撕扯成氣體，並在黑洞視界的外圍形成一個旋轉的氣體吸積盤，其中的氣體一邊旋轉一邊向視界靠近，最終被吸入黑洞。

黑洞吸積盤中氣體的轉速很高，而且越靠近視界速度就越高，高速氣體之間的剪切摩擦會產生大量的熱量，使吸積盤中心部分氣體的溫度達到驚人的高度並發出高強度的X射線。

任何物體都有不斷向外輻射電磁波（熱輻射）的本領，物體溫度越高，輻射的電磁波波長越短。人體發出的熱輻射位於紅外波長，這是紅外夜視儀工作的基礎。而溫度極高的黑洞吸積盤的熱輻射波長極短，為X射線。

通過對吸積盤所發射X射線的觀測，我們是不是就可以看到黑洞？

答案是肯定的。我們可以捕捉到來自天外的X射線，並由此推斷黑洞的存在。

然而，人類尚未觀察到完整的黑洞吸積盤光學圖像。這是因為黑洞離地球太遠，因此看起來太小，在其周圍眾多明亮恆星的掩映之下，我們很難直接觀測到被吸積盤環繞的黑洞。

要想直接看到黑洞吸積盤，我們需要更大的望遠鏡，比如由多國天文學家合作架設的虛擬望遠鏡平台：事件視界望遠鏡。事件視界望遠鏡是由位於美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極的天線組成觀測陣列，它將對銀河系中央的人馬座A *黑洞進行觀測，捕捉黑洞周圍環境的清晰圖像。按照預期，它將可能在今年夏天拍攝到第一張真實的「黑洞照片」。

看見黑洞第三招

黑洞和可見恆星的雙星系統

第三招可以算是前兩招的集合體。當黑洞和可見的恆星組成雙星系統，彼此繞行，前面講過的兩種現象將同時發生：我們可以看到恆星圍繞黑洞的運動軌跡，也可以看到恆星物質周期性被吸入黑洞而產生的吸積盤X射線。

事實上，天文學上的第一個「黑洞有效候選人」Cygnus X-1就是通過這種方式，在1972年被觀測到的。

看見黑洞第四招

兩個黑洞的融合：引力波

2016年2月11日，LIGO 科學合作組織和 Virgo 團隊宣布他們利用高級 LIGO 探測器（激光干涉引力波天文台）首次探測到了引力波信號。全球物理學界為之沸騰，廣義相對論得到了百年之中最為直接和肯定的實測證據。

而 LIGO 探測到的引力波信號，來自於兩個黑洞的融合，是兩個「宇宙惡魔」你死我活而激起的空間震顫。來自 LIGO 的引力波信號，不僅是廣義相對論的最直接證據，也是「黑洞存在」迄今為止的最有力證據。

以上就是目前為止，人類能夠「看到」黑洞的幾種手段。

作為文章結尾的彩蛋，我們來說一說「白洞」。沒錯，在物理學家的理論中，不只有黑洞，還有白洞。與黑洞的只進不出相對，白洞只出不進，物質只能從其內部逃離，而無法進入。根據物理學家們的理論，黑洞和白洞由蟲洞相連，從黑洞進入的物質可以從白洞出來。而最新的觀點認為，是大量彼此糾纏的量子之間的「通道」創造了蟲洞，也創造了由蟲洞相連的白洞和黑洞——理論物理學家的世界，真難懂。

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