黑洞是現(xiàn)代廣義相對論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種天體。黑洞的引力很大，使得視界內(nèi)的逃逸速度大于光速，是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體。

　　2019年4月10日，事件視界望遠(yuǎn)鏡公布了第一批觀測結(jié)果，這是人類捕獲的首張黑洞“照片”。被拍攝的黑洞還有個夏威夷語名字“Powehi”，意指“無限創(chuàng)造的黑暗源泉”。

　　研究歷史：

　　歷史上，第一個意識到一個致密天體密度可以大到連光都無法逃逸的人是英國的自然哲學(xué)家約翰·米歇爾。他在1783年寫給亨利·卡文迪什一封信中提出這個想法的，他認(rèn)為一個和太陽同等質(zhì)量的天體，如果半徑只有3公里，那么這個天體是不可見的，因為光無法逃離天體表面。 1796年，法國物理學(xué)家拉普拉斯曾預(yù)言：“一個質(zhì)量如250個太陽，而直徑為地球的發(fā)光恒星，由于其引力的作用，將不允許任何光線離開它。由于這個原因，宇宙中最大的發(fā)光天體，卻不會讓我們看見”。拉普拉斯依據(jù)牛頓萬有引力定律求得黑洞半徑。

　　拉普拉斯描述的這種天體，是表面的逃逸速度大于光速的天體。任何運動物體如果小于此速度，最多只能繞星體旋轉(zhuǎn)而不能到遠(yuǎn)方去，如果表面逃逸速度大于光速，那么光線就不能傳到遠(yuǎn)方去，遠(yuǎn)方得不到它的光線，它就成了完全黑暗的天體。盡管“黑洞”（black hole）一詞是在1968年由美國天體物理學(xué)家約翰·惠勒提出來，但拉普拉斯描述的正是黑洞這種天體。

　　1915年12月，在愛因斯坦發(fā)表廣義相對論1個月后，德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西即得到愛因斯坦場方程式的精確解，能夠?qū)τ邳c質(zhì)量與球形質(zhì)量所產(chǎn)生的引力場給出描述，這包括史瓦西度規(guī)和史瓦西半徑等等概念，該精確解算出，如果某天體全部質(zhì)量都壓縮到很小的“引力半徑”范圍之內(nèi)，所有物質(zhì)、能量（包括光線）都被引力囚禁在內(nèi)，從外界看，這天體就是絕對黑暗的存在，也就是黑洞。

　　1934年，德國天文學(xué)家沃爾特·巴德和瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基指出，當(dāng)一個衰老的大質(zhì)量恒星核無法再通過熱核反應(yīng)產(chǎn)生能量時，它有可能會通過重力坍縮的進(jìn)程坍縮為一個中子星或黑洞。1939年，美國物理學(xué)者奧本海默計算出，一顆質(zhì)量超過太陽質(zhì)量3倍（ 奧本海默極限）而又沒有任何熱核反應(yīng)的“冷恒星”，一定會在自身引力的作用下坍縮成為黑洞，也就是說該恒星已經(jīng)成為死亡遺骸。1974年，霍金提出黑洞蒸發(fā)的概念，認(rèn)為在黑洞周圍，在虛粒子產(chǎn)生的相對瞬間，會出現(xiàn)四種可能性：直接湮滅、雙雙落入黑洞、正粒子落入黑洞而負(fù)粒子逃脫、負(fù)粒子落入黑洞而正粒子逃脫，而且最后一種可能性最低?；艚饟?jù)此進(jìn)一步提出了微型黑洞（也稱為原初黑洞）的概念。

　　現(xiàn)代物理中的黑洞理論創(chuàng)建在廣義相對論的基礎(chǔ)上。由于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。比如說，在黑洞吸入恒星時，其周圍會形成吸積氣盤，盤中氣體劇烈摩擦，強烈發(fā)熱，而發(fā)出X射線。借由對這類X射線的觀測，可以間接發(fā)現(xiàn)黑洞并對之進(jìn)行研究。

　　2015年，霍金針對黑洞信息佯謬提出新解，指出黑洞有出口，就算掉進(jìn)去也出得來。他在瑞典皇家理工學(xué)院于瑞典首都斯德哥爾摩舉辦的會議上，對黑洞能否吞噬任何物體發(fā)表了看法。他認(rèn)為黑洞無法吞噬和消滅物理消息，這和愛因斯坦相對論中提出的觀點相反，霍金理論認(rèn)定黑洞在旋轉(zhuǎn)就有可能通往另一個宇宙，但是你會無法回到我們的宇宙，所以嚴(yán)格來說掉入黑洞有可能全身而退，只是永遠(yuǎn)從本宇宙消失。消息在黑洞內(nèi)是以全息影像的方式存儲的，且非存儲在黑洞內(nèi)部，而是存儲在黑洞的邊界，也就是所謂的事件視界。英國南安普敦大學(xué)理論物理學(xué)家瑪莉凱·泰勒（Marika Taylor）則表示霍金論點可以成為一家之言，但沒有制造實驗的方法之前，黑洞信息佯謬的爭議還將持續(xù)。

　　北京時間2019年4月10日21點整，比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京、美國華盛頓等全球六地將同步召開全球新聞發(fā)布會，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）將宣布一項與超大質(zhì)量黑洞照片有關(guān)的重大成果。在上海，EHT項目和中國科學(xué)院將共同發(fā)布這一重大成果。該項目是由全球200多位科研人員共同達(dá)成的重大國際合作計劃，通過“甚長基線干涉技術(shù)”和全球多個射電天文臺的協(xié)作，構(gòu)建一個口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，用于黑洞探測。理論上，黑洞是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言存在的一種天體，它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍，該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。此前，天文學(xué)家都是通過各種間接的證據(jù)來表明黑洞的存在，而EHT項目，則是通過這個擁有地球直徑的“虛擬望遠(yuǎn)鏡”直接觀測到了黑洞邊緣的圖像。專家稱，人類首張黑洞照片的問世，將對研究黑洞具有重要意義。

　　演化過程：

　　黑洞就是中心的一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小，熱量無限大的奇點和周圍一部分空空如也的天區(qū)，這個天區(qū)范圍之內(nèi)不可見。依據(jù)阿爾伯特-愛因斯坦的相對論，當(dāng)一顆垂死恒星崩潰，它將聚集成一點，這里將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區(qū)域的所有光線和任何物質(zhì)。

　　黑洞的產(chǎn)生過程類似于中子星的產(chǎn)生過程：某一個恒星在準(zhǔn)備滅亡，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發(fā)生強力爆炸。當(dāng)核心中所有的物質(zhì)都變成中子時收縮過程立即停止，被壓縮成一個密實的星體，同時也壓縮了內(nèi)部的空間和時間。但在黑洞情況下，由于恒星核心的質(zhì)量大到使收縮過程無休止地進(jìn)行下去，連中子間的排斥力也無法阻擋。中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個密度高到難以想象的物質(zhì)。由于高質(zhì)量而產(chǎn)生的引力，使得任何靠近它的物體都會被它吸進(jìn)去。

　　也可以簡單理解為：通常恒星最初只含氫元素，恒星內(nèi)部的氫原子核時刻相互碰撞，發(fā)生聚變。由于恒星質(zhì)量很大，聚變產(chǎn)生的能量與恒星萬有引力抗衡，以維持恒星結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由于氫原子核的聚變產(chǎn)生新的元素——氦元素，接著，氦原子也參與聚變，改變結(jié)構(gòu)，生成鋰元素。如此類推，按照元素周期表的順序，會依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，該恒星便會坍塌。這是由于鐵元素相當(dāng)穩(wěn)定，參與聚變時釋放的能量小于所需能量，因而聚變停止，而鐵元素存在于恒星內(nèi)部，導(dǎo)致恒星內(nèi)部不具有足夠的能量與質(zhì)量巨大的恒星的萬有引力抗衡，從而引發(fā)恒星坍塌，最終形成黑洞。說它“黑”，是因為它產(chǎn)生的引力使得它周圍的光都無法逃逸。跟中子星一樣，黑洞也是由質(zhì)量大于太陽質(zhì)量好幾十甚至幾百倍以上的恒星演化而來的。

　　當(dāng)一顆恒星衰老時，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料，由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點進(jìn)軍，直到最后形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度（一定小于史瓦西半徑），質(zhì)量導(dǎo)致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”就誕生了。

　　吸積

　　黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產(chǎn)生輻射而被發(fā)現(xiàn)的，這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴(yán)重影響吸積流的幾何與動力學(xué)特性。已觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當(dāng)吸積氣體接近中央黑洞時，它們產(chǎn)生的輻射對黑洞的自轉(zhuǎn)以是中央延展物質(zhì)系統(tǒng)的流動。吸積是天體物理中最普遍的過程之一，而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結(jié)構(gòu)。在宇宙早期，當(dāng)氣體朝由暗物質(zhì)造成的引力勢阱中心流動時形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由氣體云在其自身引力作用下坍縮碎裂，進(jìn)而通過吸積周圍氣體而形成的。行星（包括地球）也是在新形成的恒星周圍通過氣體和巖石的聚集而形成的。當(dāng)中央天體是一個黑洞時，吸積就會展現(xiàn)出它最為壯觀的一面。黑洞除了吸積物質(zhì)之外，還通過霍金蒸發(fā)過程向外輻射粒子。

　　蒸發(fā)

　　由于黑洞的密度極大，根據(jù)公式我們可以知道密度=質(zhì)量/體積，為了讓黑洞密度無限大，而黑洞的質(zhì)量不變，那就說明黑洞的體積要無限小，這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恒星“滅亡”后所形成的死星，它的質(zhì)量極大，體積極小。但黑洞也有滅亡的那天，按照霍金的理論，在量子物理中，有一種名為“隧道效應(yīng)”的現(xiàn)象，即一個粒子的場強分布雖然盡可能讓能量低的地方較強，但即使在能量相當(dāng)高的地方，場強仍會有分布，對于黑洞的邊界來說，這就是一堵能量相當(dāng)高的勢壘，但是粒子仍有可能出去。

　　霍金還證明，每個黑洞都有一定的溫度，而且溫度的高低與黑洞的質(zhì)量成反比例。也就是說，大黑洞溫度低，蒸發(fā)也微弱；小黑洞的溫度高蒸發(fā)也強烈，類似劇烈的爆發(fā)。相當(dāng)于一個太陽質(zhì)量的黑洞，大約要1x10^66年才能蒸發(fā)殆盡；相當(dāng)于一顆小行星質(zhì)量的黑洞會在1x10^-21秒內(nèi)蒸發(fā)得干干凈凈。

　　毀滅

　　黑洞會發(fā)出耀眼的光芒，體積會縮小，甚至?xí)?，會噴射物體，發(fā)出耀眼的光芒。當(dāng)英國物理學(xué)家斯蒂芬·威廉·霍金于1974年做此預(yù)言時，整個科學(xué)界為之震動。

　　霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍，他結(jié)合了廣義相對論和量子理論，他發(fā)現(xiàn)黑洞周圍的引力場釋放出能量，同時消耗黑洞的能量和質(zhì)量。

　　假設(shè)一對粒子會在任何時刻、任何地點被創(chuàng)生，被創(chuàng)生的粒子就是正粒子與反粒子，而如果這一創(chuàng)生過程發(fā)生在黑洞附近的話就會有兩種情況發(fā)生：兩粒子湮滅、一個粒子被吸入黑洞。“一個粒子被吸入黑洞”這一情況：在黑洞附近創(chuàng)生的一對粒子其中一個反粒子會被吸入黑洞，而正粒子會逃逸，由于能量不能憑空創(chuàng)生，我們設(shè)反粒子攜帶負(fù)能量，正粒子攜帶正能量，而反粒子的所有運動過程可以視為是一個正粒子的為之相反的運動過程，如一個反粒子被吸入黑洞可視為一個正粒子從黑洞逃逸。這一情況就是一個攜帶著從黑洞里來的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的總能量少了，而愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc^2表明，能量的損失會導(dǎo)致質(zhì)量的損失。

　　當(dāng)黑洞的質(zhì)量越來越小時，它的溫度會越來越高。這樣，當(dāng)黑洞損失質(zhì)量時，它的溫度和發(fā)射率增加，因而它的質(zhì)量損失得更快。這種“霍金輻射”對大多數(shù)黑洞來說可以忽略不計，因為大黑洞輻射的比較慢，而小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。

　　表現(xiàn)形式：

　　據(jù)英國媒體報道，一項新的理論指出黑洞的死亡方式可能是以轉(zhuǎn)變?yōu)榘锥吹姆绞竭M(jìn)行的。理論上來說，白洞在行為上恰好是黑洞的反面——黑洞不斷吞噬物質(zhì)，而白洞則不斷向外噴射物質(zhì)。 這一發(fā)現(xiàn)最早是由英國某雜志網(wǎng)站報道的，其理論依據(jù)是晦澀的量子引力理論。

　　恒星的時空扭曲改變了光線的路徑，使之和原先沒有恒星情況下的路徑不一樣。光在恒星表面附近稍微向內(nèi)偏折，在日食時觀察遠(yuǎn)處恒星發(fā)出的光線，可以看到這種偏折現(xiàn)象。當(dāng)該恒星向內(nèi)坍塌時，其質(zhì)量導(dǎo)致的時空扭曲變得很強，光線向內(nèi)偏折得也更強，從而使得光子從恒星逃逸變得更為困難。對于在遠(yuǎn)處的觀察者而言，光線變得更黯淡更紅。最后，當(dāng)這恒星收縮到某一臨界半徑（史瓦西半徑）時，其質(zhì)量導(dǎo)致時空扭曲變得如此之強，使得光向內(nèi)偏折得也如此之強，以至于光也逃逸不出去 。這樣，如果光都逃逸不出來，其他東西更不可能逃逸，都會被拉回去。也就是說，存在一個事件的集合或時空區(qū)域，光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者，這樣的區(qū)域稱作黑洞。將其邊界稱作事件視界，它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。

　　與別的天體相比，黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它，科學(xué)家也只能對它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的時空。根據(jù)廣義相對論，時空會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短光程傳播，但相對而言它已彎曲。在經(jīng)過大密度的天體時，時空會彎曲，光也就偏離了原來的方向。

　　在地球上，由于引力場作用很小，時空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，時空的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達(dá)地球。觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術(shù)。

　　更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球，它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達(dá)地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”，還同時看到它的“側(cè)面”、甚至“后背”，這是宇宙中的“引力透鏡”效應(yīng)。

　　這張紅外波段圖像拍攝的是我們所居住銀河系的中心部位，所有銀河系的恒星都圍繞銀心部位可能存在的一個超大質(zhì)量黑洞公轉(zhuǎn)。 據(jù)美國太空網(wǎng)報道，一項新的研究顯示，宇宙中最大質(zhì)量的黑洞開始快速成長的時期可能比科學(xué)家原先的估計更早，并且仍在加速成長。

　　一個來自以色列特拉維夫大學(xué)的天文學(xué)家小組發(fā)現(xiàn)，宇宙中最大質(zhì)量黑洞的首次快速成長期出現(xiàn)在宇宙年齡約為12億年時，而非之前認(rèn)為的20~40億年。天文學(xué)家們估計宇宙的年齡約為138.2億年。

　　同時，這項研究還發(fā)現(xiàn)宇宙中最古老、質(zhì)量最大的黑洞同樣具有非?？焖俚某砷L。有關(guān)這一發(fā)現(xiàn)的詳細(xì)情況發(fā)表在《天體物理學(xué)報》雜志上。

　　如果黑洞足夠大，宇航員會開始覺察到拉著他腳的重力比拉著他頭的重力更強大，這種吸引力拖著他無情地向下落，重力差會迅速加大而將他撕裂（拉伸線），最終他的遺體會被分解而落入黑洞那無限致密核心。

　　普金斯基和他的兩個學(xué)生艾哈邁德·艾姆哈里、詹姆斯·薩利，加上該校的另一位弦理論學(xué)家唐納德·馬洛夫一起，對這一事件進(jìn)行了重新計算。根據(jù)他們的計算，卻呈現(xiàn)出完全不同的另一番場景：量子效應(yīng)會把事件視界變成沸騰的粒子大漩渦，任何東西掉進(jìn)去都會撞到一面火焰墻上而被瞬間烤焦。

　　美國宇航局有關(guān)一個超大質(zhì)量黑洞及其周圍物質(zhì)盤，炙熱的物質(zhì)團(tuán)（一個呈粉紅色，一個呈黃色）每一個的體積都與太陽相當(dāng)，環(huán)繞距離黑洞較近的軌道運行?？茖W(xué)家認(rèn)為所有大型星系中心都存在超大質(zhì)量黑洞。黑洞一直在吞噬被稱之為“活躍星系核”的物質(zhì)。由于被明亮并且溫度極高的下落物質(zhì)盤環(huán)繞，黑洞的質(zhì)量很難確定。根據(jù)刊登在《自然》雜志上的一篇研究論文，基于對繞黑洞運行物質(zhì)旋轉(zhuǎn)速度的計算結(jié)果，37個已知星系中心黑洞的質(zhì)量實際上低于此前的預(yù)計。

　　存在爭議：

　　相關(guān)論文分別發(fā)表在著名的預(yù)印本網(wǎng)站ArXiv和《物理快報B》雜志上。

　　“得出這個結(jié)論后，即便我本人都感到十分震撼?！碧岢鲞@一理論的美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校理論物理學(xué)教授勞拉·梅爾西尼—霍頓這樣描述自己的感受。她說：“科學(xué)家們研究這個問題已經(jīng)超過了50年，而這個解決方案給了我們許多新的思考?！?/p>

　　1974年，霍金通過量子力學(xué)的方法得出結(jié)論：黑洞不僅能夠吸收黑洞外的物質(zhì)，同樣也能以熱輻射的方式向外“吐出”物質(zhì)。而這種量子力學(xué)現(xiàn)象，就被稱為霍金輻射。

　　物理學(xué)家組織網(wǎng)2014年9月25日（北京時間）報道稱，新研究中梅爾西尼—霍頓描述了一種全新的方案。她和霍金都同意，當(dāng)恒星因自身的引力發(fā)生坍塌時會產(chǎn)生霍金輻射。但梅爾西尼—霍頓認(rèn)為，發(fā)出這種輻射后，恒星的質(zhì)量也會不斷地發(fā)生損失。正因為如此，當(dāng)這些恒星坍縮時就不可能達(dá)到形成黑洞所必須的質(zhì)量密度。她認(rèn)為，垂死的恒星在發(fā)生最后一次膨脹后，就會爆炸，然后消亡，奇點永遠(yuǎn)不會形成，黑洞視界也不會出現(xiàn)。根本就不會存在像黑洞這樣的東西。

　　其實早在今年年初，霍金就曾通過論文指出在經(jīng)典理論中黑洞是不存在的，他承認(rèn)自己最初有關(guān)視界的認(rèn)識是有缺陷的，并提出了新的“灰洞”理論。該理論認(rèn)為，物質(zhì)和能量在被黑洞困住一段時間以后，又會被重新釋放到宇宙中。

　　黑洞這一定義在經(jīng)過漫長的時間推測后，已經(jīng)慢慢被人們所接受。然而霍金今年年初發(fā)文否認(rèn)黑洞的存在，取而代之提出了“灰洞”理論，這在物理學(xué)界掀起了不小的波瀾。如今，梅爾西尼—霍頓直截了當(dāng)?shù)胤Q“根本就不會存在像黑洞這樣的東西”，這無疑成為又一枚重磅炸彈——盡管梅爾西尼—霍頓遠(yuǎn)不及霍金出名。當(dāng)然，想以一己之力推翻既有的理論并不那么容易，需要更多有說服力的證據(jù)加以佐證。

　　分類特點：

　　物理性質(zhì)劃分

　　根據(jù)黑洞本身的物理特性質(zhì)量，角動量，電荷劃分，可以將黑洞分為五類。

　　不旋轉(zhuǎn)不帶電荷的黑洞：它的時空結(jié)構(gòu)于1916年由史瓦西求出，稱史瓦西黑洞。

　　不旋轉(zhuǎn)帶電黑洞：稱R-N黑洞。時空結(jié)構(gòu)于1916至1918年由賴斯納（Reissner）和納自敦（Nordstrom）求出。

　　旋轉(zhuǎn)不帶電黑洞：稱克爾黑洞。時空結(jié)構(gòu)由克爾于1963年求出。

　　一般黑洞：稱克爾-紐曼黑洞。時空結(jié)構(gòu)于1965年由紐曼求出。

　　雙星黑洞：與其他黑洞彼此之間相互繞轉(zhuǎn)的黑洞。

　　克爾紐曼黑洞

　　轉(zhuǎn)動且?guī)щ姾傻暮诙?，叫做克?-紐曼黑洞。這種結(jié)構(gòu)的黑洞視界和無限紅移面會分開，而且視界會分為兩個（外視界r+和內(nèi)視界r-），無限紅移面也會分裂為兩個（rs+和rs-） 。外視界和無限紅移面之間的區(qū)域叫做能層，有能量儲存在那里。越過外無限紅移面的物體仍有可能逃離黑洞，這是因為能層還不是單向膜區(qū)。

　?。ㄆ渲?，M、J、Q分別代表黑洞的總質(zhì)量、總角動量和總電荷。a=J/Mc為單位質(zhì)量角動量）單向膜區(qū)內(nèi)，r為時間，s是空間。穿過外視界進(jìn)入單向膜區(qū)得物體，將只能向前，穿過內(nèi)視界進(jìn)入黑洞內(nèi)部。內(nèi)視界以里的區(qū)域不是單向膜區(qū)，那里有一個“奇環(huán)”，也就是時間終止的地方。物體可以在內(nèi)視界內(nèi)自由運動，由于奇環(huán)產(chǎn)生斥力，物體不會撞上奇環(huán)，不過，奇環(huán)附近有一個極為有趣的時空區(qū)，在那里存在“閉合類時線”，沿這種時空曲線運動的物體可以不斷地回到自己的過去。

　　大型黑洞

　　巨型黑洞

　　宇宙中大部分星系，包括我們居住的銀河系的中心都隱藏著一個超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞質(zhì)量大小不一，大約99萬～400億個太陽質(zhì)量。天文學(xué)家們通過探測黑洞周圍吸積盤發(fā)出的強烈輻射和熱量推斷這些黑洞的存在。物質(zhì)在受到強烈黑洞引力下落時，會在其周圍形成吸積盤盤旋下降，在這一過程中勢能迅速釋放，將物質(zhì)加熱到極高的溫度，從而發(fā)出強烈輻射。黑洞通過吸積方式吞噬周圍物質(zhì)，這可能就是它的成長方式。

　　這項最新的研究采用了全世界最先進(jìn)的地基觀測設(shè)施，包括位于美國夏威夷莫納克亞山頂，海拔4000多米處的北雙子座望遠(yuǎn)鏡，位于智利帕拉那山的南雙子座望遠(yuǎn)鏡，以及位于美國新墨西哥州圣阿古斯丁平原上的甚大陣射電望遠(yuǎn)鏡。

　　觀測結(jié)果顯示，出現(xiàn)在宇宙年齡僅為12億年時的活躍黑洞，其質(zhì)量要比稍后出現(xiàn)的大部分大質(zhì)量黑洞質(zhì)量小9/10。但是它們的成長速度非常快，因而它們的質(zhì)量要比后者大得多。通過對這種成長速度的測算，研究人員可以估算出這些黑洞天體之前和之后的發(fā)展路徑。

　　該研究小組發(fā)現(xiàn)，那些最古老的黑洞，即那些在宇宙年齡僅為數(shù)億年時便開始進(jìn)入全面成長期的黑洞，它們的質(zhì)量僅為太陽的99到2000倍。研究人員認(rèn)為這些黑洞的形成和演化可能和宇宙中最早的恒星有關(guān)。

　　天文學(xué)家們還注意到，在最初的12億年后，這些被觀測的黑洞天體的成長期僅僅持續(xù)了2億到4億年。

　　這項研究是一個已持續(xù)9年的研究計劃的成果。特拉維夫大學(xué)主持的這項研究旨在追蹤研究宇宙中最大質(zhì)量黑洞的演化，并觀察它們對宿主星系產(chǎn)生的影響。

　　發(fā)現(xiàn)“超大”黑洞

　　2015年3月1日，北京大學(xué)吳學(xué)兵教授等人在一個發(fā)光類星體里發(fā)現(xiàn)了一片質(zhì)量為太陽120億倍的黑洞，并且該星體早在宇宙形成的早期就已經(jīng)存在?？茖W(xué)家稱，如此巨大的黑洞的形成無法用現(xiàn)有黑洞理論解釋。

　　該發(fā)現(xiàn)對2014年之前的宇宙形成理論帶出了挑戰(zhàn)。至2015年的宇宙理論認(rèn)為，黑洞及其宿主星系的發(fā)展形態(tài)基本上是亙古不變的。

　　德國麥克斯普蘭喀天文機(jī)構(gòu)的研究員布拉姆·維尼曼斯（BramVenemans）說道，最新發(fā)現(xiàn)的黑洞體量相當(dāng)于太陽的400億倍，科學(xué)家編號為S5 0014+81，比先前發(fā)現(xiàn)的同時期黑洞的總和還大出一倍。而在銀河系的中央潛伏的黑洞比太陽大20倍-500萬倍。

　　探索歷史：

　　早年探索

　　1970年，美國的“自由”號人造衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了與其他射線源不同的天鵝座X-1，位于天鵝座X-1上的是一個比太陽重30多倍的巨大藍(lán)色星球，該星球被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學(xué)家一致認(rèn)為這個物體就是黑洞，它就是人類發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞。

　　1928年，薩拉瑪尼安·錢德拉塞卡（天體物理學(xué)家）到英國劍橋跟英國天文學(xué)家阿瑟·愛丁頓爵士（一位宣講相對論的物理家）學(xué)習(xí)。錢德拉塞卡意識到，泡利不相容原理所能提供的排斥力有一個極限。恒星中的粒子的最大速度差被相對論限制為光速。這意味著，恒星變得足夠緊致之時，由不相容原理引起的排斥力就會比引力的作用小。錢德拉塞卡計算出；一個大約為太陽質(zhì)量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。（這質(zhì)量稱為錢德拉塞卡極限）前蘇聯(lián)科學(xué)家列夫·達(dá)維多維奇·蘭道幾乎在同時也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論。

　　如果一顆恒星的質(zhì)量比錢德拉塞卡極限小，它最后會停止收縮并終于變成一顆半徑為幾千英里和密度為每立方英寸幾百噸的“白矮星”。白矮星是它物質(zhì)中電子之間的不相容原理排斥力所支持的。第一顆被觀察到的是繞著夜空中最亮的恒星——天狼星轉(zhuǎn)動的那一顆。

　　蘭道指出，對于恒星還存在另一可能的終態(tài)。其極限質(zhì)量大約也為太陽質(zhì)量的一倍或二倍，但是其體積甚至比白矮星還小得多。這些恒星是由中子和質(zhì)子之間，而不是電子之間的不相容原理排斥力所支持。所以它們被叫做中子星。它們的半徑只有10英里左右，密度為每立方英寸幾億噸。在中子星被第一次預(yù)言時，并沒有任何方法去觀察它，很久以后它們才被觀察到。

　　另一方面，質(zhì)量比錢德拉塞卡極限還大的恒星在耗盡其燃料時，會出現(xiàn)一個很大的問題：在某種情形下，它們會爆炸或拋出足夠的物質(zhì)，使自己的質(zhì)量減少到極限之下，以避免災(zāi)難性的引力坍縮，不管恒星有多大，這總會發(fā)生。愛丁頓拒絕相信錢德拉塞卡的結(jié)果。愛丁頓認(rèn)為，一顆恒星不可能坍縮成一點。這是大多數(shù)科學(xué)家的觀點：愛因斯坦自己寫了一篇論文，宣布恒星的體積不會收縮為零。其他科學(xué)家，尤其是他以前的老師、恒星結(jié)構(gòu)的主要權(quán)威——愛丁頓的敵意使錢德拉塞卡拋棄了這方面的工作，轉(zhuǎn)去研究諸如恒星團(tuán)運動等其他天文學(xué)問題。然而，他獲得1983年諾貝爾獎，至少部分原因在于他早年所做的關(guān)于冷恒星的質(zhì)量極限的工作。

　　錢德拉塞卡指出，泡利不相容原理不能夠阻止質(zhì)量大于錢德拉塞卡極限的恒星發(fā)生坍縮。但是，根據(jù)廣義相對論，這樣的恒星會發(fā)生什么情況呢。這個問題被一位年輕的美國人羅伯特·奧本海默于1939年首次解決。然而，他所獲得的結(jié)果表明，用當(dāng)時的望遠(yuǎn)鏡去觀察不會再有任何結(jié)果。以后，因第二次世界大戰(zhàn)的干擾，奧本海默卷入到原子彈計劃中去。戰(zhàn)后，由于大部分科學(xué)家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而引力坍縮的問題被大部分人忘記了。

　　1967年，劍橋的一位研究生約瑟琳·貝爾發(fā)現(xiàn)了天空發(fā)射出無線電波的規(guī)則脈沖的物體，這對黑洞的存在的預(yù)言帶來了進(jìn)一步的鼓舞。起初貝爾和她的導(dǎo)師安東尼·赫維許以為，他們可能和我們星系中的外星文明進(jìn)行了接觸。在宣布他們發(fā)現(xiàn)的討論會上，他們將這四個最早發(fā)現(xiàn)的源稱為LGM1－4，LGM表示“小綠人”（“Little Green Man”）的意思。最終他們和所有其他人的結(jié)論是這些被稱為脈沖星的物體，事實上是旋轉(zhuǎn)的中子星，這些中子星由于在黑洞這個概念剛被提出的時候，共有兩種光理論：一種是牛頓贊成的光的微粒說；另一種是光的波動說。由于量子力學(xué)的波粒二象性，光既可認(rèn)為是波，也可認(rèn)為是粒子。在光的波動說中，不清楚光對引力如何響應(yīng)。但是如果光是由粒子組成的，人們可以預(yù)料，它們正如同炮彈、火箭和行星那樣受引力的影響。起先人們以為，光粒子無限快地運動，所以引力不可能使之慢下來，但是羅麥關(guān)于光速度有限的發(fā)現(xiàn)表明引力對之可有重要效應(yīng)。

　　1783年，劍橋的學(xué)監(jiān)約翰·米歇爾在這個假定的基礎(chǔ)上，在《倫敦皇家學(xué)會哲學(xué)學(xué)報》上發(fā)表了一篇文章。他指出，一個質(zhì)量足夠大并足夠緊致的恒星會有如此強大的引力場，以致于連光線都不能逃逸——任何從恒星表面發(fā)出的光，還沒到達(dá)遠(yuǎn)處即會被恒星的引力吸引回來。米歇爾暗示，可能存在大量這樣的恒星，雖然會由于從它們那里發(fā)出的光不會到達(dá)我們這兒而使我們不能看到它們，但我們?nèi)匀豢梢愿械剿鼈兊囊Φ奈饔?。這正是我們稱為黑洞的物體。

　　事實上，因為光速是固定的，所以，在牛頓引力論中將光類似炮彈那樣處理不嚴(yán)謹(jǐn)。（從地面發(fā)射上天的炮彈由于引力而減速，最后停止上升并折回地面；然而，一個光子必須以不變的速度繼續(xù)向上，那么牛頓引力對于光如何發(fā)生影響。）在1915年愛因斯坦提出廣義相對論之前，一直沒有關(guān)于引力如何影響光的協(xié)調(diào)的理論，之后這個理論對大質(zhì)量恒星的含意才被理解。

　　觀察一個恒星坍縮并形成黑洞時，因為在相對論中沒有絕對時間，所以每個觀測者都有自己的時間測量。由于恒星的引力場，在恒星上某人的時間將和在遠(yuǎn)處某人的時間不同。假定在坍縮星表面有一無畏的航天員和恒星一起向內(nèi)坍縮，按照他的表，每一秒鐘發(fā)一信號到一個繞著該恒星轉(zhuǎn)動的空間飛船上去。在他的表的某一時刻，譬如11點鐘，恒星剛好收縮到它的臨界半徑，此時引力場強到?jīng)]有任何東西可以逃逸出去，他的信號再也不能傳到空間飛船了。當(dāng)11點到達(dá)時，他在空間飛船中的伙伴發(fā)現(xiàn)，航天員發(fā)來的一串信號的時間間隔越變越長。但是這個效應(yīng)在10點59分59秒之前是非常微小的。在收到10點59分58秒和10點59分59秒發(fā)出的兩個信號之間，他們只需等待比一秒鐘稍長一點的時間，然而他們必須為11點發(fā)出的信號等待無限長的時間。按照航天員的手表，光波是在10點59分59秒和11點之間由恒星表面發(fā)出；從空間飛船上看，那光波被散開到無限長的時間間隔里。在空間飛船上收到這一串光波的時間間隔變得越來越長，所以恒星來的光顯得越來越紅、越來越淡，最后，該恒星變得如此之朦朧，以至于從空間飛船上再也看不見它，所余下的只是空間中的一個黑洞。然而，此恒星繼續(xù)以同樣的引力作用到空間飛船上，使飛船繼續(xù)繞著所形成的黑洞旋轉(zhuǎn)。

　　但是由于以下的問題，使得上述情景不是完全現(xiàn)實的。離開恒星越遠(yuǎn)則引力越弱，所以作用在這位無畏的航天員腳上的引力總比作用到他頭上的大。在恒星還未收縮到臨界半徑而形成事件視界之前，這力的差就已經(jīng)將航天員拉成意大利面條那樣，甚至將他撕裂!然而，在宇宙中存在質(zhì)量大得多的天體，譬如星系的中心區(qū)域，它們遭受到引力坍縮而產(chǎn)生黑洞；一位在這樣的物體上面的航天員在黑洞形成之前不會被撕開。事實上，當(dāng)他到達(dá)臨界半徑時，不會有任何異樣的感覺，甚至在通過永不回返的那一點時，都沒注意到。但是，隨著這區(qū)域繼續(xù)坍縮，只要在幾個鐘頭之內(nèi)，作用到他頭上和腳上的引力之差會變得如此之大，以至于再將其撕裂。

　　羅杰·彭羅斯在1965年和1970年之間的研究指出，根據(jù)廣義相對論，在黑洞中必然存在無限大密度和空間——時間曲率的奇點。這和時間開端時的大爆炸相當(dāng)類似，只不過它是一個坍縮物體和航天員的時間終點而已。在此奇點，科學(xué)定律和預(yù)言將來的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的觀察者，將不會受到可預(yù)見性失效的影響，因為從奇點出發(fā)的不管是光還是任何其他信號都不能到達(dá)。這令人驚奇的事實導(dǎo)致羅杰·彭羅斯提出了宇宙監(jiān)督猜測，它可以被意譯為：“上帝憎惡裸奇點?！睋Q言之，由引力坍縮所產(chǎn)生的奇點只能發(fā)生在像黑洞這樣的地方，在那兒它被事件視界體面地遮住而不被外界看見。嚴(yán)格地講，這是所謂弱的宇宙監(jiān)督猜測：它使留在黑洞外面的觀察者不致受到發(fā)生在奇點處的可預(yù)見性失效的影響，但它對那位不幸落到黑洞里的可憐的航天員卻是愛莫能助。

　　廣義相對論相關(guān)

　　廣義相對論方程存在一些解，這些解使得我們的航天員可能看到裸奇點。他也許能避免撞到奇點上去，而穿過一個“蟲洞”來到宇宙的另一區(qū)域?？磥磉@給空間——時間內(nèi)的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有這些解似乎都是非常不穩(wěn)定的；最小的干擾，譬如一個航天員的存在就會使之改變，以至于他還沒能看到此奇點，就撞上去而結(jié)束了他的時間。換言之，奇點總是發(fā)生在他的將來，而從不會在過去。強的宇宙監(jiān)督猜測是說，在一個現(xiàn)實的解里，奇點總是或者整個存在于將來（如引力坍縮的奇點），或者整個存在于過去（如大爆炸）。因為在接近裸奇點處可能旅行到過去，所以宇宙監(jiān)督猜測的某種形式的成立是大有希望的。

　　事件視界，也就是空間——時間中不可逃逸區(qū)域的邊界，正如同圍繞著黑洞的單向膜：物體，譬如不謹(jǐn)慎的航天員，能通過事件視界落到黑洞里去，但是沒有任何東西可以通過事件視界而逃離黑洞。（記住事件視界是企圖逃離黑洞的光的空間——時間軌道，沒有任何東西可以比光運動得更快）人們可以將詩人但丁針對地獄入口所說的話恰到好處地用于事件視界：“從這兒進(jìn)去的人必須拋棄一切希望?！比魏螙|西或任何人一旦進(jìn)入事件視界，就會很快地到達(dá)無限致密的區(qū)域和時間的終點。

　　廣義相對論預(yù)言，運動的重物會導(dǎo)致引力波的輻射，那是以光的速度傳播的空間——時間曲率的漣漪。引力波和電磁場的漣漪光波相類似，但是要探測到它則困難得多。就像光一樣，它帶走了發(fā)射它們的物體的能量。因為任何運動中的能量都會被引力波的輻射所帶走，所以可以預(yù)料，一個大質(zhì)量物體的系統(tǒng)最終會趨向于一種不變的狀態(tài)。（這和扔一塊軟木到水中的情況相當(dāng)類似，起先翻上翻下折騰了好一陣，但是當(dāng)漣漪將其能量帶走，就使它最終平靜下來。）例如，繞著太陽公轉(zhuǎn)的地球即產(chǎn)生引力波。其能量損失的效應(yīng)將改變地球的軌道，使之逐漸越來越接近太陽，最后撞到太陽上，以這種方式歸于最終不變的狀態(tài)。在地球和太陽的情形下能量損失率非常小——大約只能點燃一個小電熱器， 這意味著要用大約1千億億億年地球才會和太陽相撞，沒有必要立即去為之擔(dān)憂！地球軌道改變的過程極其緩慢，以至于根本觀測不到。但幾年以前，在稱為PSR1913+16（PSR表示“脈沖星”，一種特別的發(fā)射出無線電波規(guī)則脈沖的中子星）的系統(tǒng)中觀測到這一效應(yīng)。此系統(tǒng)包含兩個互相圍繞著運動的中子星，由于引力波輻射，它們的能量損失，使之相互以螺旋線軌道靠近。

　　在恒星引力坍縮形成黑洞時，運動會更快得多，這樣能量被帶走的速率就高得多。所以不用太長的時間就會達(dá)到不變的狀態(tài)。人們會以為它將依賴于形成黑洞的恒星的所有的復(fù)雜特征——不僅僅它的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動速度，而且恒星不同部分的不同密度以及恒星內(nèi)氣體的復(fù)雜運動。如果黑洞就像坍縮形成它們的原先物體那樣變化多端，一般來講，對之作任何預(yù)言都將是非常困難的。

　　然而，加拿大科學(xué)家外奈·伊斯雷爾在1967年使黑洞研究發(fā)生了徹底的改變。他指出，根據(jù)廣義相對論，非旋轉(zhuǎn)的黑洞必須是非常簡單、完美的球形；其大小只依賴于它們的質(zhì)量，并且任何兩個這樣的同質(zhì)量的黑洞必須是等同的。事實上，它們可以用愛因斯坦的特解來描述，這個解是在廣義相對論發(fā)現(xiàn)后不久的1917年卡爾·施瓦茲席爾德找到的。一開始，許多人（其中包括伊斯雷爾自己）認(rèn)為，既然黑洞必須是完美的球形，一個黑洞只能由一個完美球形物體坍縮而形成。所以，任何實際的恒星從來都不是完美的球形只會坍縮形成一個裸奇點。

　　然而，對于伊斯雷爾的結(jié)果，一些人，特別是羅杰·彭羅斯和約翰·惠勒提倡一種不同的解釋。他們論證道，牽涉恒星坍縮的快速運動表明，其釋放出來的引力波使之越來越近于球形，到它終于靜態(tài)時，就變成準(zhǔn)確的球形。按照這種觀點，任何非旋轉(zhuǎn)恒星，不管其形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，在引力坍縮之后都將終結(jié)于一個完美的球形黑洞，其大小只依賴于它的質(zhì)量。這種觀點得到進(jìn)一步的計算支持，并且很快就為大家所接受。

　　伊斯雷爾的結(jié)果只處理了由非旋轉(zhuǎn)物體形成的黑洞。1963年，新西蘭人羅伊·克爾找到了廣義相對論方程的描述旋轉(zhuǎn)黑洞的一族解。這些“克爾”黑洞以恒常速度旋轉(zhuǎn)，其大小與形狀只依賴于它們的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)的速度。如果旋轉(zhuǎn)為零，黑洞就是完美的球形，這解就和施瓦茲席爾德解一樣。如果有旋轉(zhuǎn)，黑洞的赤道附近就鼓出去（正如地球或太陽由于旋轉(zhuǎn)而鼓出去一樣），而旋轉(zhuǎn)得越快則鼓得越多。由此人們猜測，如將伊斯雷爾的結(jié)果推廣到包括旋轉(zhuǎn)體的情形，則任何旋轉(zhuǎn)物體坍縮形成黑洞后，將最后終結(jié)于由克爾解描述的一個靜態(tài)。

　　黑洞是科學(xué)史上極為罕見的情形之一，在沒有任何觀測到的證據(jù)證明其理論是正確的情形下，作為數(shù)學(xué)的模型被發(fā)展到非常詳盡的地步。的確，這經(jīng)常是反對黑洞的主要論據(jù)：怎么能相信一個其依據(jù)只是基于令人懷疑的廣義相對論的計算的對象呢?然而，1963年，加利福尼亞的帕羅瑪天文臺的天文學(xué)家馬丁·施密特測量了在稱為3C273（即是劍橋射電源編目第三類的273號）射電源方向的一個黯淡的類星體的紅移。他發(fā)現(xiàn)引力場不可能引起這么大的紅移——如果它是引力紅移，這類星體必須具有如此大的質(zhì)量，并離地球如此之近，以至于會干擾太陽系中的行星軌道。這暗示此紅移是由宇宙的膨脹引起的，進(jìn)而表明此物體離地球非常遠(yuǎn)。由于在這么遠(yuǎn)的距離還能被觀察到，它必須非常亮，也就是必須輻射出大量的能量。人們會想到，產(chǎn)生這么大量能量的唯一機(jī)制看來不僅僅是一個恒星，而是一個星系的整個中心區(qū)域的引力坍縮。人們還發(fā)現(xiàn)了許多其他類星體，它們都有很大的紅移。但是它們都離開地球太遠(yuǎn)了，所以對之進(jìn)行觀察太困難，以至于不能。

　　看清黑洞磁場

　　科學(xué)家認(rèn)為，黑洞引擎是由磁場驅(qū)動的。借助事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope，EHT），天文學(xué)家在我們銀河系中心超大黑洞事件視界的外側(cè)探測到了磁場。發(fā)現(xiàn)在靠近黑洞的某些區(qū)域是混亂的，有著雜亂的磁圈和渦漩，就像攪在一起的意大利面。相反，其他區(qū)域的磁場則有序得多，可能是物質(zhì)噴流產(chǎn)生的區(qū)域。還發(fā)現(xiàn)，黑洞周邊的磁場在短至15分鐘的時間段內(nèi)都會發(fā)生明顯變化。

　　理論修改

　　2015年3月，霍金對黑洞理論進(jìn)行了修改，宣稱黑洞實際上是“灰色的”。新“灰洞”理論稱，物質(zhì)和能量被黑洞困住一段時間后，又會被重新釋放到宇宙中。

　　2016年1月，霍金同物理學(xué)家馬爾科姆·佩里、安德魯·施特羅明格提出了新理論：讓信息“逃逸”的黑洞裂口由“柔軟的帶電毛發(fā)”組成，它們是位于視界線上的光子和引力子組成的粒子，這些能量極低甚至為零的粒子能捕獲并存儲落入黑洞的粒子的信息。

　　2017年12月7日，美國卡耐基科學(xué)研究所科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有史以來最遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽的8億倍。

　　黑洞照片

　　2017年4月5日，據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志在線版消息稱，“地球大小”的望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)備“穿透星系的心臟”。它由全球各地的8個射電觀測臺組成，模擬出一臺具有行星規(guī)模的天文設(shè)備。這組巨大的天文設(shè)備名為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT），其囊括了位于西班牙、美國和南極等地的射電望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡目標(biāo)最終指向距離地球25000光年的人馬座A*黑洞以及M87星系黑洞。前者是位于銀河系中心一個亮度極高且致密的無線電波源，屬于人馬座A星系的一部分，星系的“心臟”就是超大質(zhì)量黑洞的所在，它也被看作研究黑洞物理的最佳對象；而M87星系核心的黑洞質(zhì)量，估計可能會達(dá)到30億至64億個太陽質(zhì)量。一直以來，人們對這兩個神秘的目標(biāo)都缺乏清晰詳盡的數(shù)據(jù)。

　　美國東部時間2019年4月10日9時（北京時間10日21時），全球多地天文學(xué)家同步公布了黑洞“真容”。該黑洞位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質(zhì)量約為太陽的65億倍。它的核心區(qū)域存在一個陰影，周圍環(huán)繞一個新月狀光環(huán)。愛因斯坦廣義相對論被證明在極端條件下仍然成立。

　　分形幾何

　　一個由美國、英國、意大利和奧地利科學(xué)家組成的國際研究團(tuán)隊，根據(jù)先前的研究和通過超級計算機(jī)的模擬，發(fā)現(xiàn)黑洞、引力波和暗物質(zhì)均具有分形幾何特征。有專家認(rèn)為，這一重大發(fā)現(xiàn)將導(dǎo)致對天文學(xué)甚至物理學(xué)諸多不同領(lǐng)域的深刻認(rèn)識。

　　黑洞是宇宙空間內(nèi)存在的一種密度無限大、體積無限小的天體，所有的物理定理遇到黑洞都會失效；它是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而“死亡”后，發(fā)生引力坍縮產(chǎn)生的。當(dāng)黑洞“打嗝”時，就意味著有某個天體被黑洞“吞噬”，黑洞依靠吞噬落入其中物質(zhì)“成長”；當(dāng)黑洞“進(jìn)食”大量物質(zhì)時，就會有高速等離子噴流從黑洞邊緣逃逸而出?？茖W(xué)家利用流體動力學(xué)和引力相關(guān)理論并通過超級計算機(jī)進(jìn)行模擬后得出結(jié)論——“進(jìn)食”正在成長過程中的黑洞，將會使其形成分形表面。

　　“黑洞”一詞命名者、美國著名物理學(xué)家約翰·惠勒教授曾經(jīng)說過：今后誰不熟悉分形幾何，誰就不能被稱為科學(xué)上的文化人。中國著名學(xué)者周海中教授曾經(jīng)指出：分形幾何不僅展示了數(shù)學(xué)之美，也揭示了世界的本質(zhì)，從而改變了人們理解自然奧秘的方式；可以說分形幾何是真正描述大自然的幾何學(xué)，對它的研究也極大地拓展了人類的認(rèn)知疆域?？梢姡中螏缀斡兄鴺O其重要的科學(xué)地位。

　　黑洞是宇宙中最神秘的自然現(xiàn)象。它為什么具有分形幾何特征，其原因現(xiàn)在還是一個謎。

　　儲存資料

　　幾十年來宇宙學(xué)家一直對黑洞會摧毀制造它的資料的問題所困擾。黑洞是由它的質(zhì)量、能量、旋轉(zhuǎn)所定位。

　　假如是這樣那就無法知道最先是什么讓它產(chǎn)生的。另一方面量子力學(xué)說資料永遠(yuǎn)會被保存，而且你可以用那些資料重建它的過去。

　　史蒂芬·霍金讓這問題加大，當(dāng)他說黑洞會漏輻射。黑洞會漏輻射到摧毀自己，然后唯一可以知道它是由什么產(chǎn)生的只有在那些輻射的資料里面可以找到。

　　在2004年霍金說他錯了，而是否黑洞會儲存資料的辯論就從此沒有停止過。布法羅大學(xué)的博士生AnshulSaini說黑洞釋放出的輻射（也稱作霍金輻射）并不像霍金想的那么隨意。

　　Siani說要了解跑進(jìn)洞里的資料，你不只需要看霍金輻射釋放出的粒子，你還需要看它們?nèi)绾位?yīng)。這包括引力與粒子傳送光給對方的方式。他說“這些關(guān)聯(lián)一開始很小，但會隨著時間成長?！?/p>

　　Saini的監(jiān)督者DejanStojkovic博士說“這些關(guān)聯(lián)在計算中時常被忽略因為它們很小被認(rèn)為不會有很大的影響。我們的計算顯示這些關(guān)聯(lián)一開始很小，但隨著時間它會成長大到可以影響結(jié)果?！?/p>

　　許多物理學(xué)家們都做出了結(jié)論說黑洞里的資料一定會留下，所以可以讓我們回顧那些資料，但他們理論的基礎(chǔ)是用資料保存的廣義論。

　　霍金自己跟其他人想要展示一個觀察者如何可以得到那些資料的方法并沒有很大的說服力。

　　實際上要了解制造一個黑洞的成分幾乎是不可能的任務(wù)。任何觀察者都會需要收集照射到不同方向的粒子。

　　還需要收集讓這互動成型的介質(zhì)像是光子和引力子。不過對于宇宙學(xué)家這可能性是小事，真正重要的是守恒律有被保存。

　　黑洞的存在部分地證實了它的預(yù)言。在宇宙中存在幾百萬個黑洞，它的存在總是需要起到一些作用的。如果要想徹底揭開黑洞之謎，還需時間，這也意味著給予有關(guān)人類終極命運的思索一個明確的答案。

　　專家研究：

　　等離子體

　　德國馬克斯普朗克核物理研究所和赫爾姆霍茨柏林中心的研究人員使用柏林同步加速器（BESSY Ⅱ）在實驗室成功產(chǎn)生了黑洞周邊的等離子體。通過該研究，之前只能在太空由人造衛(wèi)星執(zhí)行的天文物理實驗，也可以在地面進(jìn)行，諸多天文物理學(xué)難題有望得到解決。黑洞的重力很大，會吸附一切物質(zhì)。進(jìn)入黑洞后，任何東西都不可能從黑洞的邊界之內(nèi)逃逸出來。隨著被吸入的物體的溫度不斷升高，會產(chǎn)生核與電子分離的高溫等離子體。

　　黑洞吸附物質(zhì)會產(chǎn)生X射線，X射線反過來又會刺激其中的大量化學(xué)元素發(fā)射出具有獨特線條（顏色）的X射線。分析這些線條可以幫助科學(xué)家了解更多有關(guān)黑洞附近等離子體的密度、速度和組成成分等信息。

　　在這個過程中，鐵起了非常關(guān)鍵的作用。盡管鐵在宇宙中的儲量并不如更輕的氫和氦豐富，但是，它能夠更好地吸收和重新發(fā)射出X射線，發(fā)射出的光子因此也比其他更輕的原子發(fā)射出的光子具有更高的能量、更短的波長（使得其具有不同的顏色）。

　　鐵發(fā)射出的X射線在穿過黑洞周圍的介質(zhì)時也會被吸收。在這個所謂的光離化過程中，鐵原子通常會經(jīng)歷幾次電離，其包含的26個電子中有超過一半會被去除，最終產(chǎn)生帶電離子，帶電離子聚集成為等離子體，研究人員可以在實驗室中重現(xiàn)了這個過程。

　　實驗的核心是馬克斯普朗克核物理研究所設(shè)計的電子束離子阱。在這個離子阱中，鐵原子經(jīng)由一束強烈的電子束加熱，從而被離子化14次。實驗過程如下：一團(tuán)鐵離子（僅僅幾厘米長并且像頭發(fā)絲一樣薄）在磁場和電場的作用下被懸停在一個超高真空內(nèi)，同步加速器發(fā)射出的X射線的光子能量被一臺精確性超高的“單色儀”挑選出來，作為一束很薄但卻集中的光束施加到鐵離子上。

　　實驗室測量到的光譜線與錢德拉X射線天文臺和牛頓X射線多鏡望遠(yuǎn)鏡所觀測的結(jié)果相匹配。也就是說，研究人員在地面實驗室人為制造出了太空中的黑洞等離子體。

　　這種新奇的方法將帶電離子的離子阱和同步加速器輻射源結(jié)合在一起，讓人們可以更好地了解黑洞周圍的等離子體或者活躍的星系核。研究人員希望，將EBIT分光檢查鏡和更清晰的第三代（2009年開始在德國漢堡運行的同步輻射源PETRAⅢ）、第四代（X射線自由電子激光XFEL）X射線源結(jié)合，將能夠給該研究領(lǐng)域帶來更多新鮮活力。

　　人造黑洞

　　美國制成“人造黑洞”

　　2005年3月，美國布朗大學(xué)物理教授‘霍拉蒂·納斯塔西’在地球上制造出了第一個“人造黑洞“。美國紐約布魯克海文實驗室1998年建造了20世紀(jì)全球最大的粒子加速器，將金離子以接近光速對撞而制造出高密度物質(zhì)。雖然這個黑洞體積很小，卻具備真正黑洞的許多特點。紐約布魯克海文國家實驗室里的相對重離子碰撞機(jī)，可以以接近光速的速度把大型原子的核子（如金原子核子）相互碰撞，產(chǎn)生相當(dāng)于太陽表面溫度3億倍的熱能。納斯塔西在紐約布魯克海文國家實驗室里利用原子撞擊原理制造出來的灼熱火球，具備天體黑洞的顯著特性。比如：火球可以將周圍10倍于自身質(zhì)量的粒子吸收，這比所有量子物理學(xué)所推測的火球可吸收的粒子數(shù)目還要多。

　　人造黑洞的設(shè)想最初由加拿大“不列顛哥倫比亞大學(xué)”的威廉·昂魯教授在20世紀(jì)80年代提出，他認(rèn)為聲波在流體中的表現(xiàn)與光在黑洞中的表現(xiàn)非常相似，如果使流體的速度超過聲速，那么事實上就已經(jīng)在該流體中建立了一個人造黑洞。然而，利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足夠的引力，除了光線外，它們無法像真正的黑洞那樣“吞下周圍的所有東西”。然而，納斯塔西教授制造的人造黑洞已經(jīng)可以吸收某些其他物質(zhì)。因此，這被認(rèn)為是黑洞研究領(lǐng)域的重大突破。

　　歐洲“人造黑洞”

　　2008年9月10日，隨著第一束質(zhì)子束流貫穿整個對撞機(jī)，歐洲大型強子對撞機(jī)正式啟動。

　　歐洲大型強子對撞機(jī)是2013年前世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一種將質(zhì)子加速對撞的高能物理設(shè)備，它位于瑞士日內(nèi)瓦近郊?xì)W洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機(jī)，作為國際高能物理學(xué)研究之用。系統(tǒng)第一負(fù)責(zé)人是英國著名物理學(xué)家‘林恩·埃文斯’，大型強子對撞機(jī)最早就是由他設(shè)想出來并主導(dǎo)制造的，被外界稱為“埃文斯原子能”。

　　當(dāng)比我們的太陽更大的特定恒星在生命最后階段發(fā)生爆炸時，自然界就會形成黑洞。它們將大量物質(zhì)濃縮在非常小的空間內(nèi)。假設(shè)在大型強子對撞機(jī)內(nèi)的質(zhì)子相撞產(chǎn)生粒子的過程中，形成了微小黑洞，每個質(zhì)子擁有的能量可跟一只飛行中的蚊子相當(dāng)。天文學(xué)上的黑洞比大型強子對撞機(jī)能產(chǎn)生的任何東西的質(zhì)量更重。據(jù)愛因斯坦的相對論描述的重力性質(zhì)，大型強子對撞機(jī)內(nèi)不可能產(chǎn)生微小黑洞。然而一些純理論預(yù)言大型強子對撞機(jī)能產(chǎn)生這種粒子產(chǎn)品。所有這些理論都預(yù)測大型強子對撞機(jī)產(chǎn)生的此類粒子會立刻分解。因此它產(chǎn)生的黑洞將沒時間濃縮物質(zhì)，產(chǎn)生肉眼可見的結(jié)果。

　　質(zhì)量測定

　　中科院國家天文臺研究員劉繼峰領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊在世界上首次成功測量到X射線極亮天體的黑洞質(zhì)量，在該領(lǐng)域獲得重大突破，將增進(jìn)人們對黑洞及其周圍極端物理過程的認(rèn)識。該研究成果2013年11月28日發(fā)表在國際權(quán)威雜志《自然》上。20世紀(jì)90年代以來，天文學(xué)家陸續(xù)在遙遠(yuǎn)星系中發(fā)現(xiàn)了一批X射線光度極高的天體，它們可能是人們一直尋找的中等質(zhì)量黑洞，也可能是具有特殊輻射機(jī)制的幾個或幾十個太陽質(zhì)量的恒星級黑洞。國際天文和天體物理界對此一直難以定論。由于這類天體距離我們十分遙遠(yuǎn)，通常為幾千萬光年，同時X射線照射黑洞吸積盤而產(chǎn)生的光污染也非常強，因此測量極其困難。

　　劉繼峰團(tuán)隊選取有特色的天體目標(biāo)，成功申請到位于美國夏威夷的8米大型雙子望遠(yuǎn)鏡以及10米凱克望遠(yuǎn)鏡各20小時的觀測時間，在3個月的時間跨度上對漩渦星系中X射線極亮源M101ULX－1進(jìn)行了研究，并確認(rèn)其中心天體為一個質(zhì)量與恒星可比擬的黑洞。這個黑洞加伴星形成的黑洞雙星系統(tǒng)位于2200萬光年之外，是人類迄今發(fā)現(xiàn)的距離地球最遙遠(yuǎn)的黑洞雙星。

　　黑洞炸彈

　　2001年1月，英國圣安德魯大學(xué)著名理論物理科學(xué)家烏爾夫·利昂哈特宣布他和其他英國科研人員將在實驗室中制造出一個黑洞，當(dāng)時沒有人對此感到驚訝。然而俄《真理報》日前披露俄羅斯科學(xué)家的預(yù)言：黑洞不僅可以在實驗室中制造出來，而且50年后，具有巨大能量的“黑洞炸彈”將使如 今人類談虎色變的“原子彈”也相形見絀。

　　人造黑洞的設(shè)想由威廉·昂魯教授提出，他認(rèn)為聲波在流體中的表現(xiàn)與光在黑洞中的表現(xiàn)非常相似，如果使流體的速度超過音速，那么事實上就已經(jīng)在該流體中建立了一個人造黑洞現(xiàn)象。但利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足夠的引力，除了光線外，無法像真正的黑洞那樣“吞下周圍的所有東西”。

　　俄羅斯科學(xué)家亞力克山大·特羅菲蒙科認(rèn)為，能吞噬萬物的真正宇宙黑洞也完全可以通過實驗室“制造出來”：一個原子核大小的黑洞，它的能量將超過一家核工廠。如果人類有一天真的制造出黑洞炸彈，那么一顆黑洞炸彈爆炸后產(chǎn)生的能量，將相當(dāng)于數(shù)顆原子彈同時爆炸，它至少可以造成10億人死亡。”

　　捕捉星云

　　2011年12月，一個國際研究小組利用歐洲南方天文臺的“甚大望遠(yuǎn)鏡”，發(fā)現(xiàn)一個星云正在靠近位于銀河系中央的黑洞并將被其吞噬。

　　這是天文學(xué)家首次觀測到黑洞“捕捉”星云的過程。觀測顯示，這個星云的質(zhì)量約是地球的3倍，它的位置來逐漸靠近“人馬座A星”黑洞。這個黑洞的質(zhì)量約是太陽的400萬倍，是距離我們最近的大型黑洞。研究人員分析認(rèn)為，到2013年，這個星云將離黑洞非常近，有可能被黑洞逐漸吞噬。

　　另外，黑洞并不是實實在在的星球，而是一個幾乎空空如也的天區(qū)。黑洞又是宇宙中物質(zhì)密度最高的地方，地球如果變成黑洞，只有一顆黃豆那么大。原來，黑洞中的物質(zhì)不是平均分布在這個天區(qū)的，而是集中在天區(qū)的中心。這個中心具有極強的引力，任何物體只能在這個中心外圍游弋。一旦不慎越過邊界，就會被強大的引力拽向中心，最終化為粉末，落到黑洞中心。因此，黑洞是一個名副其實的太空魔王。

　　黑洞內(nèi)部只有三個物理量有意義：質(zhì)量、電荷、角動量。

　　黑洞無毛

　　1973年霍金、卡特爾（B. Carter）等人嚴(yán)格證明了“黑洞無毛定理”：“無論什么樣的黑洞，其最終性質(zhì)僅由幾個物理量（質(zhì)量、角動量、電荷）惟一確定”。即當(dāng)黑洞形成之后，只剩下這三個不能變?yōu)殡姶泡椛涞氖睾懔?，其他一切信息（“毛發(fā)”）都喪失了，黑洞幾乎沒有形成它的物質(zhì)所具有的任何復(fù)雜性質(zhì)，對前身物質(zhì)的形狀或成分都沒有記憶。 于是“黑洞”的術(shù)語發(fā)明家惠勒戲稱這特性為“黑洞無毛”。

　　對于物理學(xué)家來說，一個黑洞或一塊方糖都是極為復(fù)雜的物體，因為對它們的完整描述，即包括它們的原子和原子核結(jié)構(gòu)在內(nèi)的描述，需要有億萬個參量。與此相比，一個研究黑洞外部的物理學(xué)家就沒有這樣的問題。黑洞是一種極其簡單的物體，如果知道了它的質(zhì)量、角動量和電荷，也就知道了有關(guān)它的一切。黑洞幾乎不保持形成它的物質(zhì)所具有的任何復(fù)雜性質(zhì)。它對前身物質(zhì)的形狀或成分都沒有記憶，它保持的只是質(zhì)量、角動量、電荷。消繁歸簡或許是黑洞最基本的特征。有關(guān)黑洞的大多數(shù)術(shù)語的發(fā)明家約克·惠勒，在60年前把這種特征稱為“黑洞無毛”。

　　如何產(chǎn)生

　　超大質(zhì)量黑洞的形成有幾個方法。最明顯的是以緩慢的吸積（由恒星的大小開始）來形成。另一個方法涉及氣云萎縮成數(shù)十萬太陽質(zhì)量以上的相對論星體。該星體會因其核心產(chǎn)生正負(fù)電子對所造成的徑向擾動而開始出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，并會直接在沒有形成超新星的情況下萎縮成黑洞。第三個方法涉及了正在核坍縮的高密度星團(tuán)，它那負(fù)熱容會促使核心的分散速度成為相對論速度。最后是在大爆炸的瞬間從外壓制造太初黑洞。超大質(zhì)量黑洞平均密度可以很低，甚至比空氣密度還要低。這是因為史瓦西半徑與其質(zhì)量成正比，而密度則與體積成反比。由于球體（如非旋轉(zhuǎn)黑洞的事件視界）體積是與半徑立方成正比，而質(zhì)量差不多以直線增長，體積增長率則會更大。故此，密度會隨黑洞半徑增長而減少。在黑洞的中心，是物理學(xué)中最為神秘的物質(zhì)之一——奇點，也就是時間、空間和一切已知的物理學(xué)法則土崩瓦解的所在點。

　　時間倒流

　　在熱力學(xué)的角度，時空也被認(rèn)為是全息圖，根據(jù)全息原理，其與給定區(qū)域內(nèi)的表面積有關(guān)，也可進(jìn)一步解釋為熱力學(xué)的時間方向。由于過去和將來的全息屏區(qū)域在不同的方向增加，因此時間的方向可以對應(yīng)著兩種不同類型的全息屏。

　　2016年，科學(xué)家杰希.陳安預(yù)言，黑洞可能是一個時間靜止的狀態(tài)。

　　最新進(jìn)展：

　　據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志在線版2017年4月5日消息稱，真正的天文重器——“地球大小”的望遠(yuǎn)鏡正準(zhǔn)備“穿透星系的心臟”。它由全球各地的8個射電觀測臺組成，模擬出一臺具有行星規(guī)模的天文設(shè)備。2017年4月，只要所有觀測臺天氣條件合適，它們會立即開啟，人類將利用其首次對黑洞進(jìn)行拍照，揭開近百年來仍無解的黑洞謎底。

　　這組巨大的天文設(shè)備名為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT），其囊括了位于西班牙、美國和南極等地的射電望遠(yuǎn)鏡?，F(xiàn)在，EHT的8只“眼睛”已組合完畢，科學(xué)家們正協(xié)調(diào)射電望遠(yuǎn)鏡陣列，模擬成一臺虛擬的“地球大小的望遠(yuǎn)鏡”，準(zhǔn)備首次嘗試對宇宙黑洞進(jìn)行拍照——只有行星規(guī)模的望遠(yuǎn)鏡有能力“照亮”黑洞，因此，可對星系中心的超重黑洞進(jìn)行監(jiān)測。

　　望遠(yuǎn)鏡目標(biāo)最終指向距離地球25000光年的人馬座A*黑洞以及M87星系黑洞。前者是位于銀河系中心一個亮度極高且致密的無線電波源，屬于人馬座A星系的一部分，星系的“心臟”就是超大質(zhì)量黑洞的所在，它也被看作研究黑洞物理的最佳對象；而M87星系核心的黑洞質(zhì)量，估計可能會達(dá)到30億至64億個太陽質(zhì)量。一直以來，人們對這兩個神秘的目標(biāo)都缺乏清晰詳盡的數(shù)據(jù)。

　　團(tuán)隊表示，4月5日至14日夜晚，當(dāng)全部8個觀測地天氣晴朗，他們將會立即啟動“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，以前所未有的分辨率創(chuàng)建圖像。如果這項嘗試成功了，所獲照片將會幫助科學(xué)家進(jìn)一步檢測廣義相對論。與此同時，來自美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）和歐洲引力波天文臺（VIRGO）的科學(xué)家將會聯(lián)合進(jìn)行一項深入研究，以確定特殊星系引力波的起源。

　　該團(tuán)隊包括荷蘭奈梅亨大學(xué)以及德國馬克斯·普朗克物理研究所等機(jī)構(gòu)，研究人員表示，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的運行將向人類展示宇宙的最基本信息。

　　北京時間2019年4月10日21點整，比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京、美國華盛頓等全球六地將同步召開全球新聞發(fā)布會，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）宣布一項與超大質(zhì)量黑洞照片有關(guān)的重大成果。該項目是由全球200多位科研人員共同達(dá)成的重大國際合作計劃，通過“甚長基線干涉技術(shù)”和全球多個射電天文臺的協(xié)作，構(gòu)建一個口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，用于黑洞探測。專家稱，人類首張黑洞照片的問世，將對研究黑洞具有重要意義。

　　2019年4月10日，事件視界望遠(yuǎn)鏡公布了第一批觀測結(jié)果，這是人類捕獲的首張黑洞“照片”。被拍攝的黑洞還有個夏威夷語名字“Powehi”，意指“無限創(chuàng)造的黑暗源泉”。