筆者 東邪
如果說哪一種天體是宇宙中最特殊、最神秘的天體，很多人的答案應(yīng)該是黑洞。雖然這種天體的名字我們?cè)谛侣劽襟w、社交平臺(tái)上聽過不少次，但它對(duì)于人類來說還是保持著相當(dāng)高的神秘感，因?yàn)槟壳叭祟惸軌蛱綔y(cè)到黑洞存在的方法很有限，對(duì)黑洞的探測(cè)和研究很大程度上都是基于科學(xué)理論，因此未來人類在探索黑洞方面還有很長(zhǎng)的路要走。
盡管人類掌握黑洞的信息并不多，但隨著科學(xué)家發(fā)現(xiàn)黑洞的一些特殊現(xiàn)象，逐漸掌握一些觀測(cè)黑洞的方法。比如在2017年4月的時(shí)候，一個(gè)國(guó)際科學(xué)組織首次公布了黑洞的圖片。據(jù)了解，這些圖片的主角是來自M87星云的黑洞，科學(xué)家經(jīng)過兩年的數(shù)據(jù)處理才讓公眾看到黑洞的真實(shí)面貌。
實(shí)際上早在2007年的時(shí)候，有歐洲科學(xué)家在人造衛(wèi)星的幫助下探測(cè)到黑洞發(fā)出的持續(xù)性輻射。經(jīng)研究該輻射持續(xù)了1小時(shí)左右，而且信號(hào)頻譜具有周期性振蕩的特點(diǎn)，科學(xué)家將它比喻成黑洞的“心跳”。那么黑洞的“心跳”是怎么形成的？它的發(fā)現(xiàn)對(duì)于研究黑洞來說有何幫助？
黑洞是如何形成的？
黑洞這個(gè)概念最早是由上世紀(jì)著名物理學(xué)家愛因斯坦、施瓦西等人聯(lián)合提出來的，但由于缺乏探測(cè)設(shè)備和技術(shù)，再加上當(dāng)時(shí)天體物理理論的發(fā)展出現(xiàn)了瓶頸，因此黑洞一直是一種猜想。70年代之后，越來越多科學(xué)家對(duì)黑洞的研究促成了黑洞理論體系的建成，讓世人逐漸弄清楚黑洞的起源和發(fā)展脈絡(luò)。
黑洞的起源要先從恒星的起源開始講起，因?yàn)楹诙淳褪怯珊阈茄莼鴣淼?。上百億年前宇宙中的原恒星星云分別形成小質(zhì)量恒星和大質(zhì)量恒星，前者經(jīng)過演化變成紅巨星，最后的終點(diǎn)是白矮星。后者由于質(zhì)量超級(jí)巨大，中期演化成紅超巨星，然后通過超新星爆發(fā)演化成中子星或黑洞。
簡(jiǎn)而言之，黑洞是由大質(zhì)量恒星發(fā)生坍塌后形成的。任何恒星的起始階段都只含有氫元素的粒子，然后這些粒子無時(shí)無刻不在極高溫、極高壓的環(huán)境下相互碰撞，最后產(chǎn)生了核聚變反應(yīng)。所謂的核聚變反應(yīng)，指的是兩個(gè)氫原子結(jié)合成一個(gè)氦原子的過程。不僅僅是氫原子可以參與反應(yīng)，反應(yīng)生成的粒子還可以繼續(xù)參與反應(yīng)，因此形成了核聚變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
核聚變?cè)谶M(jìn)行過程中會(huì)釋放出超強(qiáng)的能量，這些能量與恒星的萬有引力相互抗衡，以維持恒星的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但隨著生成的元素越來越重，核聚變釋放的能量越來越少，當(dāng)核聚變進(jìn)行到生成鐵元素時(shí)，恒星內(nèi)部就不再具有足夠的能量來抗衡自身的萬有引力，這時(shí)候就會(huì)引發(fā)恒星坍縮。對(duì)于小質(zhì)量恒星來說，坍縮的結(jié)果就是中子星。對(duì)于大質(zhì)量恒星來說，坍縮的結(jié)果可能是黑洞。
黑洞的“心跳聲”是怎么發(fā)出的?
科學(xué)家第一次發(fā)現(xiàn)黑洞的“心跳聲”是在2007年，當(dāng)時(shí)在歐洲宇航局的“XMM-牛頓”衛(wèi)星的幫助下，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)黑洞持續(xù)一小時(shí)發(fā)出了X射線輻射。這種情況在以往的黑洞觀測(cè)中是從未出現(xiàn)過的，因此科學(xué)家們密切關(guān)注該信號(hào)的情況。后來通過對(duì)X射線輻射進(jìn)行頻譜分析，他們發(fā)現(xiàn)該信號(hào)最明顯的特點(diǎn)就是周期震蕩。
最后因?yàn)樘綔y(cè)路徑被太陽(yáng)擋住了，信號(hào)也就中斷了。原本歐洲的科學(xué)家認(rèn)為這次發(fā)現(xiàn)可能是史上的唯一一次，但沒想到11年后他們?cè)俅卧赬MM-牛頓衛(wèi)星、雨燕衛(wèi)星、核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列的幫助下再次發(fā)現(xiàn)了該黑洞的周期震蕩信號(hào)，而且信號(hào)的頻譜幅度更高了?？茖W(xué)家將黑洞的這種特殊信號(hào)比喻成它的“心跳”，那么這種“心跳”是怎么產(chǎn)生的呢？
對(duì)此科學(xué)家表示，他們是通過監(jiān)測(cè)黑洞的吸積盤發(fā)現(xiàn)了黑洞的周期性震蕩信號(hào)，因此他們推測(cè)信號(hào)的形成與吸積盤有關(guān)。在2017年首次拍攝到的黑洞照片中，人們看到的黑洞類似一個(gè)“甜甜圈”，而甜甜圈能看到的部分就是黑洞的吸積盤。由此可知，吸積盤是一種圓盤狀結(jié)構(gòu)，它是外界物質(zhì)被黑洞吸引后形成的。
目前科學(xué)家已經(jīng)在同一個(gè)黑洞中發(fā)現(xiàn)了兩次周期性震蕩信號(hào)，這說明黑洞也能像其他天體一樣釋放出一些特殊信號(hào)，這些信號(hào)的本質(zhì)就是宇宙輻射?？茖W(xué)家表示，通過對(duì)黑洞的“心跳”進(jìn)行深入研究，有望獲得與黑洞相關(guān)的關(guān)鍵信息，例如物質(zhì)尺度和結(jié)構(gòu)等。
科學(xué)家如何判斷黑洞的存在？
經(jīng)過數(shù)十年的研究，科學(xué)界已經(jīng)總結(jié)出了幾種判斷黑洞存在與否的方法。第一種方法，觀察宇宙中的光線傳播是否會(huì)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。愛因斯坦曾在廣義相對(duì)論中就預(yù)言了黑洞的一個(gè)特性，即大質(zhì)量天體會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力場(chǎng)，導(dǎo)致周圍時(shí)空發(fā)生嚴(yán)重彎曲，使得經(jīng)過該區(qū)域的光線發(fā)生彎曲。黑洞就是這樣一種大質(zhì)量黑洞，它的時(shí)空彎曲形成引力鏡效應(yīng)，導(dǎo)致原本直線傳播的光線發(fā)生彎曲傳播。
第二種方法，觀測(cè)宇宙中是否有天體圍繞不可見的天體運(yùn)動(dòng)。一般情況下，天文學(xué)家在宇宙中都會(huì)觀測(cè)到兩顆或多顆恒星做相互圍繞的運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)樗鼈冎g的引力起到平衡作用。但也有一些恒星系統(tǒng)只存在一顆恒星，它的引力吸引行星圍繞著它運(yùn)動(dòng)，而它自己又圍繞著星系的中心運(yùn)動(dòng)，星系中心往往是一片黑暗，那里很可能就存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。
第三種方法，通過捕捉宇宙中的X射線，由此判斷是否存在黑洞。這一方法是基于黑洞“貪吃”的特性，恒星等物質(zhì)被黑洞吞噬時(shí)，會(huì)被它巨強(qiáng)的引力撕扯成氣體，這些氣體在黑洞視界外圍形成吸積盤，最終逐漸被黑洞吸進(jìn)去。在未被黑洞吸進(jìn)去之前，氣體在吸積盤里面做高速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致氣體摩擦產(chǎn)生大量熱量，使吸積盤的中心區(qū)域溫度足夠高，以促使X射線的產(chǎn)生。
第四種方法，通過“聽”的方式來發(fā)現(xiàn)黑洞，最關(guān)鍵的問題是發(fā)現(xiàn)引力波。引力波也是上世紀(jì)愛因斯坦預(yù)言的一種宇宙現(xiàn)象，它指的是兩個(gè)黑洞的合并會(huì)產(chǎn)生類似漣漪的痕跡。之所以說引力波像漣漪，是因?yàn)樗a(chǎn)生后就像水面的漣漪一樣向四周擴(kuò)散。2015年9月14日，人類首次探測(cè)到引力波的存在，證實(shí)了愛因斯坦的猜想。
那一次通過對(duì)引力波的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它是兩個(gè)遙遠(yuǎn)黑洞合并后產(chǎn)生的電磁波輻射。引力波的發(fā)現(xiàn)幫助人類叩開了研究黑洞的另一扇大門，從那之后引力波的探測(cè)就變成了科學(xué)家研究雙黑洞的重要方式。有科學(xué)家認(rèn)為，未來使用更高精度的手段去探測(cè)引力波，將有助于人類研究黑洞內(nèi)部的物質(zhì)分布。
太陽(yáng)系周圍可能出現(xiàn)黑洞嗎？
黑洞是宇宙中最可怕的天體，它形成后無聲無息地將周圍的物質(zhì)都吞噬掉，許多恒星都“死”得不明不白。在意識(shí)到黑洞的可怕后，科學(xué)家想知道太陽(yáng)系周圍是否存在黑洞，或者說未來是否有可能會(huì)被黑洞吞噬。首先，太陽(yáng)系附近出現(xiàn)黑洞的可能性只有一個(gè)，即大質(zhì)量恒星演化到晚期后發(fā)生引力坍縮，從而形成黑洞。
根據(jù)科學(xué)家長(zhǎng)時(shí)間的探測(cè)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)系周圍一百光年內(nèi)都不存在這樣的恒星，因此我們不用過于擔(dān)心。如果真的要說宇宙中對(duì)太陽(yáng)系的威脅的話，那么在距離太陽(yáng)系大約640光年的獵戶座里確實(shí)有一顆正處于紅超巨星狀態(tài)的恒星，它就是“參宿四”。根據(jù)天文學(xué)家近幾年來的觀測(cè)，參宿四的體積在不斷縮小，密度在不斷增大，這是紅超巨星即將發(fā)生超新星爆發(fā)的征兆。
有科學(xué)家認(rèn)為參宿四隨時(shí)都有可能爆發(fā)，而有些科學(xué)家的觀點(diǎn)則比較保守，認(rèn)為它將是幾千年內(nèi)人類所觀測(cè)到的最亮的超新星。那么參宿四經(jīng)過超新星爆發(fā)后會(huì)變成黑洞嗎？科學(xué)家表示它演變成中子星或黑洞的概率相等。六百光年的距離對(duì)人類來說非常遙遠(yuǎn)，但如果參宿四變成了黑洞后迅速擴(kuò)張，這段距離對(duì)它來說并不是問題。
如果太陽(yáng)系周圍出現(xiàn)黑洞，人類該怎么辦？
雖然現(xiàn)階段我們并不用擔(dān)心這個(gè)問題，但是這種充滿腦洞的問題還是值得討論一番。如果太陽(yáng)系周圍出現(xiàn)黑洞，人類要么坐以待斃，要么全力一搏發(fā)展出能逃離太陽(yáng)系的技術(shù)。不少科幻作品中都提出了逃離太陽(yáng)系的方法，拋開它們的科學(xué)性不談，有些方法還是值得研究的，至少為科學(xué)家的研究提供了方向或思路。
例如《流浪星球》里的故事，人類為了逃離膨脹的太陽(yáng)，給地球裝上行星發(fā)動(dòng)機(jī)，推動(dòng)地球遠(yuǎn)離太陽(yáng)，你認(rèn)為這種場(chǎng)景有可能實(shí)現(xiàn)嗎？評(píng)論區(qū)里見！
