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黑洞:你需要知道的一切

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-07-30

  

  一个超大质量黑洞的艺术家插图。

漩涡状的橙色线条环绕着中间的黑色圆圈。

黑洞是太空中最迷人的物体之一。

(图片来源:solarseven via Getty Images)

  据美国太空网(By Daisy Do1ijevic, Nola Taylor Tillman):黑洞是太空中一些最奇怪也最迷人的物体。

它们密度极高,引力如此之大,以至于连光都无法逃脱它们的掌控。

  银河系可能包含超过1亿个黑洞,尽管探测这些贪吃的野兽非常困难。

银河系的中心有一个超大质量黑洞——人马座A*。

根据美国宇航局的一份声明,这个巨大的结构大约是太阳质量的400万倍,距离地球大约26,000光年。

  2019年,视界望远镜(EHT)合作捕捉到了第一张黑洞图像。

距离地球5500万光年的M87星系中心的黑洞的惊人照片让全世界的科学家兴奋不已。

  专家解答的黑洞常见问题

  我们问了理论天体物理学家Priyamvada Natarajan一些关于黑洞的常见问题。

  普里亚姆瓦达·纳塔拉詹理论天体物理学家耶鲁大学天文系主任约瑟夫. s .和索菲娅. s .弗鲁顿天文学教授和物理学教授。

  黑洞是如何形成的?

  黑洞预计通过两种不同的渠道形成。

根据第一种途径,它们是恒星尸体,所以它们是在大质量恒星死亡时形成的。

出生时质量大约是太阳质量的8到10倍以上的恒星,当它们耗尽所有的燃料——氢时,它们会爆炸并死亡,留下一个非常致密的物体,即黑洞。

留下的黑洞被称为恒星质量黑洞,其质量是太阳质量的几倍。

  不是所有的恒星都会留下黑洞,出生质量较低的恒星会留下中子星或白矮星。

黑洞形成的另一种方式是气体的直接坍缩,这一过程预计会产生更多质量更大的黑洞,质量从太阳质量的1000倍到太阳质量的10万倍不等。

这个通道绕过了传统恒星的形成,被认为在宇宙早期运行,产生了更多的大质量黑洞种子。

  谁发现了黑洞?

  黑洞被预言为爱因斯坦方程的精确数学解。

爱因斯坦的方程式描述了物质周围的空间形状。

广义相对论将几何或形状与物质的详细分布联系起来。

  卡尔·史瓦西在1915年发现了黑洞的解决方案,这些区域——黑洞——被发现会极大地扭曲空间,并在时空结构中产生一个穿孔。

当时还不清楚这些是否对应于宇宙中的真实物体。

随着时间的推移,随着恒星死亡的其他最终产物被探测到,也就是被视为脉冲星的中子星,黑洞是真实存在的,并且应该存在,这一点变得越来越清楚。

第一个被探测到的黑洞是天鹅座-X1。

  黑洞会死吗?

  黑洞本身不会死亡,但理论上预计它们最终会在极长的时间尺度内慢慢蒸发。

  黑洞是通过附近被巨大引力吸引的物质的增长而成长的。

霍金预测,黑洞也可以辐射出能量,并非常缓慢地收缩。

量子理论表明,虚粒子无时无刻不在出现和消失。

当这种情况发生时,一个粒子和它的同伴反粒子出现了。

然而,它们也可以重组并再次消失。

当这个过程发生在黑洞视界附近时,奇怪的事情就会发生。

而不是粒子反粒子对存在一会儿,然后互相湮灭,其中一个可以通过重力进入黑洞,而另一个粒子可以飞向太空。

在很长的时间尺度上,我们谈论的时间尺度比我们宇宙的年龄长得多,理论表明这种逃逸粒子的涓涓细流将导致黑洞慢慢蒸发。

  黑洞是虫洞吗?

  不,黑洞不是虫洞。

虫洞可以被认为是连接时空两个分离点的隧道。

据信,黑洞的内部可能包含一个虫洞,这个洞就是时空,它可能提供一个通往时空中另一点的入口,甚至可能在一个不同的宇宙中。

  首次发现黑洞

  阿尔伯特·爱因斯坦在1916年用他的广义相对论首次预言了黑洞的存在。

多年以后,美国天文学家约翰·惠勒在1967年创造了“黑洞”这个术语。

几十年来黑洞只被认为是理论上的物体。

  第一个被发现的黑洞是天鹅座X-1,位于银河系内的天鹅座。

根据美国宇航局的说法,天文学家在1964年发现了黑洞的第一个迹象,当时一枚探测火箭探测到了X射线的天体来源。

1971年,天文学家确定X射线来自一颗明亮的蓝星,它围绕着一个奇怪的黑暗物体运行。

有人认为,探测到的X射线是恒星物质被明亮的恒星剥离并被黑暗物体“吞噬”的结果,黑暗物体是一个吞噬一切的黑洞。

  有多少黑洞?

  

  一张深空影像显示,在影像中心有一个微弱的蓝色X射线源,表明人马座A*的存在。

银河系中心存在一个超大质量黑洞人马座A* (Sgr A*)。

(图片来源:NASA/UMass/D.Wang等人,IR: NASA/STScI)

  根据太空望远镜科学研究所(STScI)的数据,每一千颗恒星中大约有一颗质量足以成为黑洞。

由于银河系包含超过1000亿个统计数据,我们的家庭星系一定隐藏着大约1亿个黑洞。

  虽然探测黑洞是一项艰巨的任务,但美国宇航局的估计表明,银河系中可能有多达1000万到10亿个恒星黑洞。

  距离地球最近的黑洞被称为“独角兽”,大约位于1500光年之外。

这个昵称有双重含义。

黑洞候选体不仅位于麒麟星座(“独角兽”),其难以置信的低质量——大约是太阳的三倍——使它几乎是独一无二的。

  黑洞图像

  

  围绕黑色圆圈的橙色发光环。

事件视界望远镜是一个由八个地面射电望远镜组成的行星级阵列,通过国际合作打造,捕捉到了这张M87星系中心超大质量黑洞及其阴影的图像。

(图片鸣谢:EHT协作)

  2019年,视界望远镜(EHT)合作发布了有史以来第一张记录黑洞的图像。

EHT在M87星系中心看到了黑洞,当时望远镜正在检查活动视界或任何东西都无法逃离黑洞的区域。

该图像描绘了光子(光粒子)的突然损失。

这也打开了黑洞研究的一个全新领域,现在天文学家知道了黑洞的样子。

  2021年,天文学家展示了M87中心巨型黑洞的新视图,展示了这个巨大结构在偏振光下的样子。

由于偏振光波与非偏振光相比具有不同的方向和亮度,新图像显示了黑洞的更多细节。

极化是磁场的一个特征,这幅图像清楚地表明黑洞的环被磁化了。

  

  橙色发光环,周围是黑色圆圈,内部有光线。

继2019年第一张黑洞图像发布后,天文学家捕捉到了黑洞的新偏振视图。

(图片鸣谢:EHT协作)

  2022年5月,科学家们展示了银河系中心超大质量黑洞的历史首张图像——速腾A*。

  黑洞是什么样子的?

  黑洞有三个“层”:外部和内部事件视界,以及奇点。

  黑洞的视界是黑洞口周围的边界,光不能越过它。

一旦一个粒子穿过视界,它就不能离开。

引力在整个视界中是不变的。

  物体质量所在的黑洞内部区域被称为奇点,即黑洞质量集中的时空单点。

  科学家们不能像观察眼冒金星和太空中的其他物体那样观察黑洞。

相反,天文学家必须依靠探测黑洞在尘埃和气体被吸入致密生物时发出的辐射。

但是,位于星系中心的超大质量黑洞可能会被周围厚厚的尘埃和气体所覆盖,从而阻止泄露信号的发射。

  有时,当物质被吸向黑洞时,它会从视界反弹出去,并被抛出去,而不是被拖入黑洞。

明亮的物质喷流以接近相对论的速度行进。

虽然黑洞仍然看不见,但这些强大的喷流可以从很远的地方看到。

  EHT的M87黑洞图像(2019年发布)是一项非凡的努力,即使在图像拍摄后也需要两年的研究。

这是因为遍布全球许多天文台的望远镜合作产生了惊人的数据量,这些数据量太大,无法通过互联网传输。

  随着时间的推移,研究人员希望对其他黑洞进行成像,并建立一个关于这些物体外观的知识库。

下一个目标很可能是人马座A*,它是我们银河系中心的黑洞。

2019年的一项研究报告称,人马座A*非常有趣,因为它比预期的更安静,这可能是因为磁场抑制了它的活动。

那年的另一项研究表明,人马座A*周围有一个冷气体晕,这让人们对黑洞周围的环境有了前所未有的了解。

  

  图示显示了黑洞的各个层次,包括吸积盘、事件视界、相对论喷流、奇点、光子球和最内部的稳定轨道。

ESO的黑洞解剖图显示了黑洞的样子,并标明了不同的组成部分。

(图片鸣谢:ESO)

  黑洞的类型

  到目前为止,天文学家已经确定了三种类型的黑洞:恒星黑洞、超大质量黑洞和中间黑洞。

  恒星黑洞——虽小却致命

  当一颗恒星燃尽最后一点燃料时,这个物体可能会坍缩,或者坠入自身。

对于较小的恒星(质量达到太阳的三倍左右),新的核心将成为中子星或白矮星。

但是当一颗更大的恒星坍缩时,它会继续压缩并产生一个恒星黑洞。

  由单个恒星坍塌形成的黑洞相对较小,但密度惊人。

其中一个天体的直径是太阳质量的三倍多。

这导致了一个疯狂的引力吸引着物体周围的物体。

恒星黑洞然后消耗来自周围星系的尘埃和气体,这使它们的尺寸不断增长。

  超大质量黑洞——巨人的诞生

  小型黑洞遍布宇宙,但它们的近亲超大质量黑洞占据主导地位。

这些巨大的黑洞的质量是太阳的数百万倍甚至数十亿倍,但直径却几乎相同。

这种黑洞被认为位于几乎每个星系的中心,包括银河系。

  科学家不确定如此大的黑洞是如何产生的。

一旦这些巨行星形成,它们就会从周围的尘埃和气体中聚集质量,这些物质在星系的中心非常丰富,这使得它们可以增长到更大的尺寸。

  超大质量黑洞可能是成百上千个微小黑洞合并的结果。

大型气体云也可能是原因之一,它们一起坍塌并迅速增大质量。

第三种选择是星团的崩溃,一群恒星一起坠落。

第四,超大质量黑洞可能来自大团暗物质。

这是一种我们可以通过它对其他物体的引力作用来观察的物质;

然而,我们不知道暗物质是由什么组成的,因为它不发光,无法直接观察到。

  中间黑洞

  科学家们曾经认为黑洞只有小和大两种尺寸,但研究揭示了中型或中间黑洞(IMBHs)存在的可能性。

当星团中的恒星以连锁反应碰撞时,就可能形成这样的天体。

在同一个区域形成的几个IMBHs最终可能会一起坠落在星系中心,形成一个超大质量黑洞。

  2014年,天文学家在一个螺旋星系的臂中发现了一个似乎是中等质量的黑洞。

2021年,天文学家利用一次古老的伽马射线爆发探测到了一个。

  “天文学家一直在努力寻找这些中等大小的黑洞,”该研究的合着者,英国杜伦大学的蒂姆·罗伯茨在一份声明中说。

“有迹象表明它们的存在,但IMBHs一直表现得像一个失散多年的亲戚,对被找到不感兴趣。

”

  2018年的研究表明,这些IMBHs可能存在于矮星系(或非常小的星系)的中心。

对10个这样的星系(其中五个在最近的调查之前是未知的)的观察揭示了X射线活动——在黑洞中很常见——表明存在36,000到316,000太阳质量的黑洞。

这些信息来自斯隆数字巡天,它检查了大约100万个星系,可以检测到经常观察到的来自黑洞的光,这些黑洞正在收集附近的碎片。

  二元黑洞:双重麻烦

  

  图解显示了一个巨大的黑色圆形空洞-一个超大质量黑洞,左边有一个较小的黑色圆圈-一个伴星黑洞。

一个超大质量黑洞和一个环绕它运行的伴黑洞的艺术家插图。

(图片来源:加州理工学院IPAC分校)

  2015年,天文学家利用激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到来自恒星黑洞合并的引力波。

  “我们进一步证实了大于20个太阳质量的恒星质量黑洞的存在——在LIGO探测到它们之前,我们不知道这些物体的存在,”LIGO科学合作组织(LSC)的发言人舒德伟在一份声明中说。

LIGO的观察也提供了对黑洞旋转方向的洞察。

当两个黑洞互相环绕时,它们可以同向或反向旋转。

  关于二元黑洞是如何形成的,有两种理论。

第一种说法认为,这两个黑洞在大约同一时间以双星的形式出现,它们来自两颗诞生在一起并在大约同一时间爆炸死亡的恒星。

伴星会有相同的自旋方向,所以留下的两个黑洞也会如此。

  在第二个模型中,恒星团中的黑洞下沉到星团的中心并配对。

根据LIGO科学合作组织的说法,这些同伴相互之间会有随机的自旋方向。

LIGO对具有不同自旋取向的伴黑洞的观察为这一形成理论提供了更有力的证据。

  “我们开始收集关于二元黑洞系统的真实数据,”加州理工学院的LIGO科学家Keita Kawabe说,他在LIGO汉福德天文台工作。

“这很有趣,因为即使是现在,一些黑洞双星形成的模型也比其他模型更受青睐,在未来,我们可以进一步缩小范围。

”

  黑洞事实

  1.如果你掉进一个黑洞,理论一直认为重力会像意大利面条一样把你拉长,尽管你会在到达奇点之前死亡。

但2012年发表在《自然》杂志上的一项研究表明,量子效应会导致事件视界像一堵火墙一样,会立即将你烧死。

  2.黑洞不吸。

吸力是由把东西拉进真空引起的,而大质量黑洞肯定不是。

相反,物体会像它们向任何施加重力的物体(比如地球)坠落一样落入其中。

  3.第一个被认为是黑洞的物体是天鹅座X-1。

天鹅座X-1是1974年斯蒂芬·霍金和他的物理学家同事基普·索恩友好打赌的主题,霍金打赌该源不是黑洞。

1990年,霍金承认失败。

  4.微型黑洞可能在大爆炸后立即形成。

快速膨胀的空间可能已经将一些区域挤压成微小、致密的黑洞,其质量不及太阳。

  5.如果一颗恒星离黑洞太近,它就会被撕裂。

  6.天文学家估计,银河系有1000万到10亿个恒星黑洞,质量大约是太阳的三倍。

  7.黑洞仍然是科幻书籍和电影的绝佳素材。

看看电影《星际穿越》吧,它在很大程度上依赖索恩将科学融入其中。

索恩与电影特效团队的合作使科学家们更好地理解了当在快速旋转的黑洞附近观察时,遥远的恒星可能会出现的情况。

孩子问黑洞是什么?这本《跟着霍金看宇宙》真的能讲明白

你有没有过这种经历——忙完一天刚想歇口气,孩子突然凑过来问一句:"妈妈,黑洞真的能把东西吸进去吗?宇宙到底有多大呀?太阳为什么会发光?" 我每次被问到这类问题,都是一脸懵。

说实话,我自己上学那会儿物理就没学明白,时间、空间、引力这些概念,脑子里只剩一团浆糊。

想给孩子讲几句吧,又怕讲错了、误人子弟;不讲吧,又不想打击孩子的好奇心。

尤其现在孩子上了小学中高年级,对科学的好奇心正是最旺盛的时候。

每天追着问"为什么",那股劲儿其实特别珍贵。

可咱们当家长的,确实不是万能的百科全书,很多科普知识自己都搞不清楚,更别说用孩子能听懂的话讲出来了。

我一开始也想给孩子买书,结果在书店翻了半天,越翻越没底。

那些宇宙科普书,要么是密密麻麻的专业术语,孩子翻两页就没了兴趣;要么图倒是漂亮,讲得却浮于表面,读完啥也没记住。

后来一个当老师的朋友给我推荐了一本《跟着霍金看宇宙》,我拿到手自己先翻了一遍,还真被惊艳到了。

这本书最大的好处,就是它真的站在孩子的认知水平上去讲宇宙,一点不端着。

先说它怎么讲黑洞。

书里没有上来就甩一堆公式,而是从霍金爷爷是怎么发现黑洞、怎么理解黑洞讲起,用特别形象的比喻,让孩子能"看见"黑洞在做什么。

我家孩子看完竟然主动跟我讲"黑洞就像宇宙里的贪吃怪",虽然不太准确,但那股理解和记忆的劲儿,可比死记硬背强太多了。

再说时间旅行这个更抽象的话题。

很多成年人一听都觉得玄乎,但这本书把它讲得特别接地气。

孩子看完恍然大悟,还跟我说"原来时间也会被引力拉慢呀"。

这种孩子能亲口讲出来的理解,正是我最看重的。

我觉得这本书特别适合几类孩子。

一种是那种天生爱问"为什么"、对天文特别感兴趣的孩子,能给他们一个很扎实的入门;另一种是平时不太爱看书、觉得科学枯燥的孩子,这本书的讲述方式能让他们重新觉得"原来科学这么有意思";还有一种就是咱们这些想陪孩子一起读、却自己也不太懂的家长,带着孩子一起看,正好补补课,还能顺便聊聊天。

书里的插图也很用心,结构清晰,读起来完全不费劲。

我家孩子现在每天睡前都要主动翻几页,还经常跑来给我"讲课"。

这种亲子共读的时光,可比看平板刷手机有意义多了。

而且这本书的定价也很实在,几十块钱就能给孩子打开一扇望向宇宙的窗,让孩子知道霍金爷爷那些听起来高深的理论,其实离我们并不遥远。

如果你也在为孩子选一本靠谱的宇宙科普入门书,或者发愁怎么跟孩子聊"时间""空间""黑洞"这些话题,我真的挺推荐这一本的。

能让孩子主动读、读得懂、还愿意开口讲的科普书,说实话真不多见。

趁着孩子对宇宙的好奇心正热乎,早一点给他一本合适的读物,早点点燃那颗探索的小火苗,说不定就种下了他未来仰望星空的种子呢。

这本书我自己翻过一遍,之所以敢放心推荐,还有一个很重要的原因——它讲科学,却不只是把知识倒给孩子,而是带着一种"陪孩子一起好奇"的温度。

霍金爷爷那套关于宇宙的想法,在书里被讲得既严谨又好懂,孩子读着不觉得吃力,家长陪着读也不觉得枯燥。

很多家长会纠结,孩子这么小,看这种书是不是太早了?其实恰恰相反,越早接触,越能在孩子心里种下对科学的好感。

等将来上了中学真正学物理的时候,孩子想起小时候读过的这本书,那些抽象的概念就会变得亲切起来,学起来也更省力。

如果要说一点小小的不足,那就是这本书需要家长稍微陪读几页,帮孩子把节奏带起来。

不过一旦孩子自己入了迷,后面你就会发现他根本停不下来了,天天追着你讨论外星人存不存在、宇宙有没有尽头。

总的来说,一本能让孩子主动去翻、读得懂又愿意开口讲的宇宙科普书,真的很难得。

如果你也想让孩子在这个好奇心爆棚的年纪,接触一点真正有意思、也有营养的知识,这本《跟着霍金看宇宙》是个非常不错的开始。

趁孩子这份好奇心还在,早一点把这本书带回家,说不定哪一天,他抬起头看星空的眼神,就不一样了。

竟然对折宇宙!虫洞居然连接星系,由此触摸另一个星系的春天

深邃的宇宙背景之上,一幅关于时空终极奥秘的蓝图被徐徐展开,顶部的发问“虫洞能否连接两个星系?”直击人类探索深空的核心渴望。

这幅由“Science Of Infinity”呈现的科幻科普视觉图,以经典的“爱因斯坦-罗森桥”概念为骨架,将抽象的广义相对论具象化为一场跨越星海的视觉奇观。

画面上下各悬浮着一个壮丽的旋涡星系,标注为“星系1”与“星系2”,它们并非孤立存在,而是被一种超越常规物理距离的神秘结构紧密相连,瞬间将观者拉入星际穿越的宏大叙事之中。

时空的舞台由蓝色的网格线勾勒,这便是“时空结构”的具象表达。

在常规认知中,时空是平滑的织物,但图中它因极端质量而剧烈弯曲,形成一条漏斗状的捷径。

上方星系的核心处,一个散发着炽热橙红色光晕的黑洞作为“入口点”出现,其强大的引力场吞噬着周围一切,成为这条宇宙隧道的起点。

时空网格在此处急剧下陷,顺势延伸至画面中央,那里幽蓝与紫光交织的狭窄通道正是“虫洞”本身,它像一座桥梁穿透了时空的褶皱,理论上为跨越光年尺度的航行提供了可能,让原本遥不可及的两个遥远星系拥有了瞬间连通的契机。

穿过虫洞的奇点,时空结构在下方再次舒展,迎接旅者的是标注为“白洞”的出口点。

与黑洞的吞噬截然相反,白洞喷射出耀眼的蓝白色光芒,仿佛将物质与能量从另一端点强制释放,完成这场穿越的终章。

从星系1的黑洞入口,经由扭曲的时空咽喉,再到星系2的白洞出口,整个结构呈现出一种对称而诡谲的美感。

它生动地隐喻了宇宙中可能存在的“拓扑捷径”,即无需在三维空间中航行亿万光年,而是直接弯曲并穿透四维时空,实现超距连接。

尽管这幅图像充满视觉震撼与科学美感,它本质上仍是对理论物理的艺术化演绎。

现实中,虫洞的稳定性、负能量物质的存在以及穿越其中的物理极限,仍是未解之谜。

然而,正是这种科学与想象的碰撞,赋予了画面无穷的吸引力。

它不仅是一张图解,更是一首关于宇宙探索的史诗,激发着我们对星辰大海的无尽遐想,提醒着在人类认知的边界之外,或许正有无数这样的时空隧道,默默串联着宇宙最深处的秘密。

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