時空中的無底深淵、深藏不露的引力陷阱……在史蒂芬·霍金的科學(xué)名著《時間簡史》中，黑洞是宇宙中最為神秘的天體之一——宇宙“引力怪獸”黑洞具有強大的吸力，遠看就像一個一望無盡的黑色深淵，會將周圍所有的東西都吸引進去，甚至能夠吞噬行星，撕碎太陽系。連光都不能在黑洞處存在，一照射進去就會瞬間被吞沒只有一片漆黑。
近日，一個爆炸性的重大消息轟動了全球天文界——在全球多地同步發(fā)布了人類首次拍攝的黑洞照片引發(fā)巨大熱議。
黑洞研究一直是一個熱門研究領(lǐng)域，人類關(guān)注黑洞的歷史可以追溯到18世紀(jì)末。在萬有引力定律提出約百年后，英國科學(xué)家約翰·米歇爾在1783年首次提出，可能存在引力強大到連光線也無法逃離的“暗星”。
1795年，法國數(shù)學(xué)家拉普拉斯在通過計算得出：如果天體的質(zhì)量非常大時，根據(jù)牛頓萬有引力定律，其引力將極其大，以至于光也不能從這樣的天體上射到外部空間去。外部的人就看不到它，則該天體是“黑的”。
1915年，愛因斯坦提出真正“預(yù)見”黑洞的廣義相對論，預(yù)言存在黑洞這樣一種天體，他認為，“黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，我們預(yù)期黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區(qū)域”。
1916年，德國天文學(xué)家史瓦西發(fā)現(xiàn)所有的星體都存在一個史瓦西半徑，如果星體的實際半徑比它的史瓦西半徑要小，那么它就會變成一個黑洞。比如，太陽的史瓦西半徑是3000米。
1939年，奧本海默和他的研究生斯奈德用廣義相對論分析了氣體球塌縮后得出結(jié)論，認為在宇宙中是有“暗星”存在的，但“黑洞”一詞作為物理學(xué)名詞是由美國天體物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒1967年正式提出的，此后，科學(xué)界不斷收獲關(guān)于黑洞的研究成果。在此之前，人們是用暗星、凍結(jié)星、坍縮星這類名詞來稱呼“黑洞”的。
1970年，美國的“自由”號人造衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)位于天鵝座X-1上一個比太陽重30多倍的巨大星球，被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學(xué)家一致認為這個物體就是黑洞，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞。
1974年，英國物理學(xué)家霍金證明黑洞具有與其溫度相對應(yīng)的熱輻射，稱為“黑洞輻射”。黑洞的質(zhì)量越大，溫度越低，輻射過程就越慢。
2019年4月10日，人類首張黑洞照片“沖洗”完成，這一神秘天體終于被人類看到了真容——數(shù)百名科學(xué)家參與合作的“事件視界望遠鏡（EHT）”項目發(fā)布了人類拍到的首張黑洞照片。該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍。
近年來隨著人們對宇宙發(fā)展研究的深入，當(dāng)質(zhì)量較小的恒星演化形成的最終產(chǎn)物——白矮星、中子星已被證實在宇宙中存在時。那么大質(zhì)量的恒星在演化過程中形成的最終產(chǎn)物——黑洞在宇宙中也應(yīng)該存在，但因為任何物質(zhì)和光進入黑洞，就再也無法從其內(nèi)逃脫出來，致使觀測者無法通過實驗直接觀看到它。
既然黑洞存在，則它的對稱物——白洞也就應(yīng)該存在，銀河系大約有1千億顆可見恒星，在宇宙中存在著更多的恒星，其中許多已經(jīng)死亡，研究黑洞、白洞對解決宇宙中大質(zhì)量恒星的最終歸宿問題有著重要意義。
黑洞是大型恒星衍變到后期的結(jié)果，經(jīng)過膨脹、坍縮，其內(nèi)部壓力變得極為龐大，密度可以達到每立方厘米的質(zhì)量幾十億噸，而且?guī)缀跛匈|(zhì)量都集中在最中心的“奇點”處。這樣龐大的密度導(dǎo)致在黑洞周圍的一定區(qū)域內(nèi)，連光也無法逃逸出去，這個邊界稱為“事件視界”。而沒有光，人類也就無法看見黑洞。
人類要認識恒星級黑洞的形成過程，就應(yīng)先認識恒星的演化過程，在恒星的演化過程中，恒星通過內(nèi)部氫→氦聚變放出大量的能量，形成主序星，由于氫、氦燃料不斷燃燒，在演化晚期，氫、氦燃料消耗完后，恒星會在其自身引力的作用下不斷收縮，其核心密度越來越大，引力越來越強，最終變成為高度壓縮狀態(tài)。
按恒星質(zhì)量的大小，最終坍縮成白矮星、中子星或黑洞。自身質(zhì)量較小的恒星會演化形成白矮星、中子星，自身質(zhì)量較大的恒星會形成黑洞，所以恒星最終是形成黑洞，還是白矮星或中子星，取決于恒星質(zhì)量的大小，
當(dāng)恒星的質(zhì)量小于或等于1.2～1.4倍的太陽質(zhì)量時，在恒星中產(chǎn)生的費米電子簡并壓力能夠與恒星的自身引力抗衡，這樣就阻止了恒星的進一步坍縮，并最終演化成白矮星。
質(zhì)量再大一些的恒星，即質(zhì)量大于1.2～1.4倍太陽的質(zhì)量，由于恒星自身質(zhì)量越大，其引力也越大，恒星中產(chǎn)生的費米電子簡并壓力已不能與恒星的自身引力抗衡了，從而引起恒星的進一步坍縮，并使超新星爆發(fā)向外噴發(fā)大量物質(zhì)和輻射，剩余的密度極高的核將電子吸入原子核，并與核中的質(zhì)子結(jié)合成中子，此時恒星的殘余物質(zhì)就主要由中子組成，而恒星中由中子產(chǎn)生的中子簡并壓遠大于費米電子簡并壓，這時中子簡并壓力又能夠平衡恒星自身的引力收縮，這樣恒星就演化成密度為幾億t／cm3的中子星。
當(dāng)恒星的質(zhì)量大于3倍的太陽的質(zhì)量時，因恒星自身引力的進一步加大，導(dǎo)致中子簡并壓力不能與引力抗衡，這時在已知的物理學(xué)范疇內(nèi)已找不到一種力可以和坍縮引力抗衡，收縮將不可阻擋，星體將在不到1s內(nèi)迅速坍縮到施瓦西半徑之內(nèi)，這時恒星就演化成體積無限小而密度“無限大”的奇態(tài)星體。其周圍存在著極其強的引力場，致使時空極度彎曲、時間無限膨脹而形成一個黑洞。
科學(xué)家認為，并不是質(zhì)量超過3倍太陽質(zhì)量的主序星就能夠演化成黑洞，據(jù)估計只有當(dāng)主序星的質(zhì)量達到20倍太陽的質(zhì)量以上才能演化成黑洞，因為主序星在形成黑洞時也有激烈的超新星爆發(fā)，最后剩余的致密核心殘骸才是形成黑洞的物質(zhì)。
目前關(guān)于超大質(zhì)量黑洞形成原因的說法有很多，比如形成于大量恒星致密聚集的一個區(qū)域，或由一些恒星形成的小黑洞融合而成等等，其具體形成原因還有待進一步探索。
那么黑洞有多大呢？根據(jù)施瓦西黑洞半徑公式RS=2GM/C2(RS為史瓦西半徑，G是萬有引力常數(shù)，M是天體的質(zhì)量，C是光速。用這個公式，對于一個與地球質(zhì)量相等的天體，其史瓦西半徑僅有9mm，而太陽的史瓦西半徑約為3km。在公式中，G和C都是常數(shù)，RS與質(zhì)量成正比，而且和天體的組成元素也毫無關(guān)系，從這樣的關(guān)系可以看出，質(zhì)量增加一倍，半徑增加一倍，顯而易見，這里出現(xiàn)了幾何問題。對于一個球體來講，半徑增加一倍，體積增加7倍。這樣的變化使視界的重力場越來越小，這樣的結(jié)果不能不讓人感到困惑。就普通的情況而言，兩個質(zhì)量相同的鐵球相加，質(zhì)量增加了一倍，體積也只能增加一倍。就兩個質(zhì)量相同的黑洞而言，把它們加在一起質(zhì)量和體積也只能增加一倍?？梢娦『诙吹拿芏却蟮貌豢上胂螅?0億t的小黑洞才達到質(zhì)子的大小，地球質(zhì)量的黑洞其半徑還不到1cm。
目前，天文學(xué)家們根據(jù)質(zhì)量的不同將黑洞分類成：恒星級質(zhì)量黑洞（質(zhì)量從幾倍到幾百倍太陽質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞(質(zhì)量大于幾百萬倍太陽質(zhì)量）、介于恒星級和超大質(zhì)量黑洞之間的中等質(zhì)量黑洞三大類。按黑洞無毛定律可分為四類：角動量和電荷二者都等于零，而質(zhì)量不為零的黑洞是施瓦西黑洞；角動量等于零，電荷和質(zhì)量二者都不為零的黑洞稱為Reissner-Nordstrom黑洞；電荷等于零，角動量和質(zhì)量二者都不為零的黑洞為克爾黑洞；角動量、電荷、質(zhì)量三者都不為零的黑洞稱為克爾——紐曼黑洞。
不過，黑洞吞噬周圍氣體是有節(jié)制的。黑洞在吸積吞噬周圍物質(zhì)時，物質(zhì)下落釋放的引力能會轉(zhuǎn)化為輻射，當(dāng)吞食的物質(zhì)累積到一定程度，向外的輻射壓會阻止物質(zhì)的進一步下落。當(dāng)天體作用于一個粒子上的引力和輻射壓剛好平衡時，對應(yīng)的臨界吸積率稱作愛丁頓吸積率。一般情況下，愛丁頓吸積率是黑洞吸積物質(zhì)的最大效率。
觀測發(fā)現(xiàn)，在宇宙早期，比如宇宙大爆炸之后10億年內(nèi)，就存在質(zhì)量為百億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。這令人疑惑.如果說它是從一個嬰兒（種子）黑洞長大的，這個嬰兒黑洞得多大？嬰兒黑洞如何吞噬周圍氣體塵埃食物，才能長成實際觀測到的大胖子呢？
最自然的一類種子黑洞要尋根于宇宙大爆炸后幾億年左右形成的第一代星系。它們中的大質(zhì)量恒星快速演化到晚期，發(fā)生超新星爆炸，核心殘留的天體便是質(zhì)里約幾百倍太陽質(zhì)量的黑洞。但如果假設(shè)種子黑洞是這類恒星級質(zhì)量黑洞，鑒于質(zhì)里增長的速度受愛丁頓吸積率限制，那么即使種子黑洞一直以最快速度成長，質(zhì)置增長到十億、百億倍太陽質(zhì)量所需要的時間也遠遠超過它的年齡，這就帶來了所謂的黑洞成長時間危機問題。
白洞是黑洞的對稱物。根據(jù)對稱性原理，白洞實質(zhì)上就是黑洞的時間反演，有黑洞解就應(yīng)有白洞解，無論多少物質(zhì)一但掉入黑洞就消失了，比太陽大的質(zhì)量掉入一個“點”中不見了；與黑洞相反，白洞不斷向外噴射物質(zhì)和向外輻射，據(jù)推算白洞只能產(chǎn)生于宇宙的初始大爆炸，在用現(xiàn)有的理論無法描述的超密狀態(tài)中才可能產(chǎn)生白洞。
1974年，霍金提出黑洞具有量子性質(zhì)的溫度輻射，能量可以通過霍金輻射從黑洞中傳出，則黑洞不黑。例如10億t級的小黑洞，根據(jù)計算溫度可達到10K，即溫度高達幾千億度，不但不是“黑”的洞。相反是非常明亮的光源，實際上就是一個白洞，霍金還證明了小黑洞與白洞不可區(qū)分，其他科學(xué)家們還推測在難以想象的“奇異”狀態(tài)下，可能發(fā)生由黑洞向白洞的轉(zhuǎn)化。而我們的宇宙是否產(chǎn)生于一個超巨型的黑洞轉(zhuǎn)化為白洞的一場大爆炸中仍有待于探索。
大質(zhì)量的星系包括三類星體：一是質(zhì)量不變的星體，這類星體不發(fā)生核聚變；二是恒星，這類星體會發(fā)生核聚變，質(zhì)量會不斷損失；三是黑洞，該類星體大質(zhì)量恒星演化形成的，它會吸收周圍物資，質(zhì)量不斷增加。它們在星系中是如何分布呢?
在星系中，當(dāng)星體的質(zhì)量發(fā)生變化，它的質(zhì)量變化率不等于零，受到星體繞星系質(zhì)心運動的角速度變化，會導(dǎo)致引力與離心力不能相互抵消。當(dāng)恒星質(zhì)量不斷損失時，恒星會受到一個向外的“力”，恒星向外加速運動；如果星系中有黑洞，當(dāng)黑洞質(zhì)量不斷增加時，黑洞會受到一個向內(nèi)的“力”，黑洞會向內(nèi)加速運動。結(jié)論：一個有黑洞的星系，恒星會分布在星系的外部區(qū)域，黑洞會分布在星系的中心區(qū)域；如果我們找黑洞，只能在星系中心附近找。
有人認為宇宙本身就是一個大黑洞，也有人認為宇宙中90％以上物質(zhì)已變成暗物質(zhì)，大質(zhì)量的恒星最終的命運會是黑洞嗎?星系中心存在超大質(zhì)量的黑洞嗎?因為任何物質(zhì)和光進入黑洞，就再也無法從其內(nèi)逃脫出來，致使觀測者無法通過實驗直接觀看到它。但目前理論認為黑洞周圍的吸積盤上的氣體，由于摩擦溫度會變得極其高，從而發(fā)出大量X射線。因此，人們可以通過探測來自宇宙的X射線來探測黑洞，探測黑洞極強的引力在其周圍產(chǎn)生的一些效應(yīng)來研究黑洞，用引力透鏡效應(yīng)和恒星的開普勒軌道運動等來研究黑洞。
目前多數(shù)天體物理學(xué)家認為天鵝座X—1(Cy—1)就是一個恒星級黑洞，并已探明它是一對雙星中的一顆，它一邊吞噬其伴星物質(zhì)，一邊發(fā)出強烈的X射線。早在1962年，美國的科學(xué)工作者賈科尼把X射線計數(shù)器放到高空，意外發(fā)現(xiàn)了來自太陽和月球以外太空區(qū)域一個很強的X射線源，但當(dāng)時未能確定該X射線源天體的位置。1966年賈科尼和日本學(xué)者小田等用準(zhǔn)直器調(diào)制定位法測出天鵝座X—1，這是人類發(fā)現(xiàn)的首個來自宇宙的x射線源，后經(jīng)一些實驗觀測，測定出了雙星的軌道運動情況，從而推算得出天鵝座X一1的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的8倍(大于3倍太陽質(zhì)量)，符合恒星級黑洞形成的條件。
超新星是某些恒星演化到末期時災(zāi)變性的大爆發(fā)，超新星爆發(fā)是一顆大質(zhì)量恒星的壯烈死亡。它的核心殘骸將是致密天體——黑洞或中子星。近年來每年都會發(fā)現(xiàn)數(shù)百顆超新星，其中有代表性的是在1987年2月23日爆發(fā)的SNI987A這顆來自大麥哲倫星系的超新星，人們利用哈勃太空望遠鏡、錢德拉X射線天文臺、澳大利亞大天線陣和南雙子座望遠鏡等對SN1987A進行了長期的觀察和研究，目前天文學(xué)家還在繼續(xù)尋找這顆死亡恒星殘骸的下落。據(jù)估計這顆爆發(fā)的超新星很可能已變成恒星級黑洞或中子星。
最新黑洞理論認為，在星系中心普遍存在超大質(zhì)量黑洞。1971年，天文物理學(xué)家Lynden-BellD和ReesM首次提出在銀河系中心存在一個黑洞——SgrA*并建議用射電干涉來尋找它，20世紀(jì)90年代以來，地面的天文觀測設(shè)備和空間x射線望遠鏡都探測到了來自銀河系中心SgrA*黑洞的x射線。各國的天文物理學(xué)家通過多年研究，并根據(jù)實驗觀測推算出其質(zhì)量為40～400萬倍太陽質(zhì)量，用射電望遠鏡觀測的大量數(shù)據(jù)和理論模型越來越支持SgrA*黑洞就是銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的說法，有些跡象表明它還有自旋，可能是科爾黑洞。我國的上海天文臺科學(xué)工作者從1997年開始用高分辨率甚長基線干涉的新技術(shù)對SgrA*展開觀測，得出了相同的結(jié)論。
自2004年以來，阿根廷的PierreAuger天文臺的科學(xué)家用1600個離子探測器和24臺特制天文望遠鏡記錄到高能宇宙射線，他們通過對這些宇宙射線的來源分析后認為，這種高能宇宙射線極有可能來源于星系核，星系核中心的超大質(zhì)量黑洞為之提供了巨大能量。2002年，歐洲研制的用編碼孔徑成像技術(shù)的INTEGRAL衛(wèi)星上天后，新發(fā)現(xiàn)了幾十個被認為是超大質(zhì)量的黑洞。
2010年11月，美國宇航局揭開了一則吊足媒體胃口的“秘密”——地球附近一個年僅30歲的黑洞，這也是人類科學(xué)史上發(fā)現(xiàn)的最年輕的黑洞。2011年8月，天文學(xué)家首次抓拍到黑洞吞噬恒星的過程，這被認為是目前宇宙最神秘、最震撼的情景。照片中的黑洞仿佛魔鬼一般，將一顆接近它的恒星瞬間撕碎變成發(fā)光等離子體后消失無形。據(jù)悉，照片中的黑洞距地球約40億光年。2015年8月27日，NASA發(fā)布馬卡良231星系的近照，馬卡良231是擁有雙重巨型黑洞的近地球星系，距離地球6億光年。
為揭開黑洞的神秘面紗，2017年，一項黑洞觀測計劃，即“事件視界望遠鏡”（EHT）計劃正式啟動。按照EHT計劃，全世界200多位科學(xué)家組成空前龐大的“戰(zhàn)斗陣營”，利用全球多地的8個亞毫米射電望遠鏡及其陣列，組成一個虛擬的望遠鏡網(wǎng)絡(luò)，即“事件視界望遠鏡”，同時對黑洞展開觀測。
綜上所述，現(xiàn)在采用尋找黑洞的辦法是探測來自宇宙的X射線源和確定X射線源的質(zhì)量,如有來自于致密天體的X射線,且這類致密天體的質(zhì)量大于3倍太陽質(zhì)量，則基本認定此類天體為黑洞。現(xiàn)已探明中子星的半徑大約是10英里，是恒星級黑洞臨界半徑的幾倍,一個大質(zhì)量恒星坍縮到更小的尺度變成黑洞的可能性是極大的，但最終要確定黑洞的存在，還有待于黑洞理論的進一步完善和實驗的更新驗證。目前對于黑洞的對稱物——白洞的研究還停留在理論層面，尚無實驗上的論證和支持。
