八種方法證實黑洞在宇宙中確實存在

在天文學領域的所有奇思妙想中，黑洞可能是最特立獨行的。作為宇宙中引力場超強、連光都無法逃逸的天體，這些超乎常理的黑暗“怪獸”令人聞之色變。

由于一般的物理學定律都會在黑洞中失效，人們很容易將黑洞視為科幻小說中才會出現的“怪物”。半個多世紀的天文學癡迷仰望，搜索宇宙星空，發現了大量直接和間接證據表明，黑洞在宇宙中確實存在。借用大詩人蘇軾面對人生的嘆息，正所謂“黑洞到處知何似，應似飛鴻踏雪泥”。

愛因斯坦理論的“有力預測”

國家天文臺研究員張承民對科技日報記者介紹到：“1916年，德國天文學家卡爾·施瓦西最先預言了黑洞的存在，他發現黑洞是愛因斯坦廣義相對論的必然結果”。換句話說，如果愛因斯坦的理論是正確的——所有證據都表明它是正確的，那么黑洞肯定存在。“然而，愛因斯坦對于黑洞這個怪異概念存有疑慮，他認為當引力場如此強大之時或許其它作用力會阻止黑洞的出現”。

張承民進一步指出，英國物理學家羅杰·彭羅斯和斯蒂芬·霍金為黑洞的存在提供了更堅實的理論基礎，他們證明，任何塌縮成黑洞的天體都會形成一個奇點，在那里，傳統物理定律會分崩離析。這一觀點已被廣泛接受，彭羅斯也因為“發現黑洞的形成是廣義相對論的有力預測”而榮膺2020年諾貝爾物理學獎。

伽馬射線暴

美國國家航空航天局(NASA)稱，上世紀30年代，印度天體物理學家蘇布拉馬尼安·錢德拉塞卡研究恒星核燃料耗盡時會發生什么時發現，恒星最終的命運主要取決于其星體質量。

張承民解釋說：“如果這顆恒星很大，比如說質量為太陽的25倍，那么它的致密內核(質量可能是太陽的3倍甚至更大)就會塌縮成一個黑洞”。

據美國趣味科學網站報道，內核最后的塌縮只需幾秒鐘就可完成，并以伽馬射線暴的形式釋放出大量能量。 這一伽馬射線暴向太空釋放的能量可能相當于普通恒星一生釋放的能量。地球上的望遠鏡已經探測到許多這樣的伽馬射線暴，其中有些來自數十億光年以外的星系，因此我們實際上能夠看到黑洞正在誕生。

黑洞合并產生的引力波

張承民表示，黑洞并非總是孤立存在，有時會成對出現，相互環繞。當它們“共舞”時，它們之間的引力相互作用會在時空中產生漣漪，這些漣漪會以引力波形式向外傳播，這是愛因斯坦相對論做出的另一個預測。

據美國太空網站報道，借助美國的激光干涉引力波天文臺(LIGO)和歐洲的室女座探測器( Virgo)，科學家們現在有能力探測這些引力波。2016年2月，LIGO項目團隊宣布，他們利用LIGO的兩個探測器于2015年9月14日探測到來自兩個黑洞合并產生的引力波信號。

隨著探測器靈敏度逐日提高，科學家們發現除了黑洞合并之外的其他引力波事件——今年6月29日，在一篇發表于《天體物理學雜志快報》的論文中，天文學家們稱，在LIGO和Virgo的第三輪運行中接連發現了兩例來自黑洞—中子星合并的引力波事件GW200105和和GW200115。其中GW200105由一個8.9倍太陽質量的黑洞和一個1.9倍太陽質量的中子星合并產生，此次合并發生在9億光年之外。GW200115則來自一次10億光年外的黑洞—中子星合并事件，“主角”分別是一個5.7倍太陽質量的黑洞，以及一個1.5倍太陽質量的中子星。

“看不見的客人”

在整個可觀測宇宙中，我們或許會偶爾看到產生伽馬射線暴和引力波的短暫高能事件，來證實黑洞的存在。但在黑洞生命的大部分時間里，它們幾乎是不可探測的：它們不會發出任何光或其他輻射，這意味著它們可能潛伏在天文學家們意識不到的區域。

如果是這種情況，也有一種肯定能探測到這些暗黑“怪獸”的方法，那就是通過它們對其它恒星產生的引力效應。

據張承民介紹，2020年，天文學家在觀測看起來很普通的雙星系統HR 6819時注意到，這兩顆可見恒星的運動有點反常，而這種反常只能通過存在第三個完全不可見的天體才能解釋。隨后，研究人員計算出這個看不見的天體的質量至少是太陽質量的4倍，他們斷定這個天體必定是一個黑洞。而且，它是迄今發現的離地球最近的黑洞，距離銀河系僅1000光年。

X射線

張承民說：“黑洞的第一個觀測證據出現在1971年，它同樣來自我們銀河系中的一個雙星系統，最近測出的距離約為7240光年。這個被稱為‘天鵝座X-1(Cygnus X-1)’的系統會產生宇宙中一些極其明亮的X射線， 此雙星系統最初在1964年被發現”。

NASA稱，這些射線并非來自黑洞本身，也并非來自黑洞的可見伴星——這顆伴星質量巨大，是太陽質量的33倍。物質不斷從這顆巨大恒星上剝離，并被拖入黑洞周圍的吸積盤，X射線正是從這個吸積盤發出的。

天文學家可以利用觀測到的恒星運動來估計“天鵝座X-1”中這個不可見天體的質量。根據最新計算，這個質量為太陽21倍的黑暗天體集中在一個很小的空間，因此，它不可能是除黑洞之外的任何天體。

超大質量黑洞

據美國趣味科學網站報道，除恒星塌縮產生的黑洞外，有證據顯示，宇宙中大多數大星系(擁有數千億顆恒星的星系)中央都有一個質量為太陽數百萬甚至數十億倍的超大質量黑洞。

也有證據表明，銀河系的中心就有一個超大質量黑洞。這顆黑洞位于人馬座的方向，所以被稱為人馬座A*(Sgr A*)，它距離我們約26000光年，質量約為太陽的400萬倍。

那么人馬座A*這個超大質量黑洞會吞掉整個銀河系嗎?當然不會，因為它連距離非常近的恒星S2都吃不到，更遑論離它更遠的其他天體了。

此外，據美國《新聞周刊》2019年11月21日報道，德國天文學家發表研究稱，他們首次在名為“NGC 6240”的星系中央發現了3個超大質量黑洞。這3個黑洞位于不到3000光年的空間區域內，質量都超過太陽質量的9000萬倍。

“意大利面化”

張承民指出，“證明黑洞存在的另一個證據是‘意大利面化’——落入黑洞的物體會被黑洞的極大引力拉伸成細條”。幸運的是，這不太可能發生在你或你認識的任何人身上，但這很可能是離超大質量黑洞非常近的恒星的命運。

2020年10月，天文學家目睹了這種撕裂過程——2.15億光年外的一個旋渦星系內，一顆“倒霉”恒星誤入超大質量黑洞的勢力范圍，慘遭撕裂和吞噬。

據美國太空網報道，過去很難看到這些事件，因為黑洞吞噬恒星時，垂死的恒星中往往會噴射物質，比如塵埃，使視野變得模糊。幸運的是，本次事件是在恒星被撕裂成碎片后不久就進入了研究人員的視線。

直觀圖像

到目前為止，我們已經掌握了大量證明黑洞存在、有說服力的間接證據：輻射爆發、引力波，或者其他天體受到的動態影響等。

但最終起決定性作用的證據出現在2019年4月——4月10日，包括中國在內，全球多地天文學家同步公布首張黑洞真容，它是活動星系梅西耶87中心超大質量黑洞的直觀圖像。這個黑洞距離地球5500萬光年，質量約為太陽的65億倍。

研究人員表示，這一由200多名科研人員歷時10余年、從四大洲8個觀測點“捕獲”的視覺證據，有望證實愛因斯坦廣義相對論在極端條件下仍然成立。

這張令人驚嘆的照片是由事件視界望遠鏡拍攝的，這個望遠鏡是分散在世界各地的龐大望遠鏡網絡。由于需要極高的靈敏度，8個射電望遠鏡分布在多個高海拔地區，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極等。

張承民解釋說：“能夠參與的望遠鏡網絡越多，它們的間距越大，最終圖像質量就越好”。

作為廣義相對論最重要的預言之一，黑洞一直是最神秘，甚至最令人神往的存在，首張黑洞圖片讓人類能一睹黑洞的尊容，這是一個研究和觀測黑洞的全新窗口，讓我們可以揭示更多有關黑洞的秘密，這些秘密或許會給我們帶來更多驚喜。

(劉霞)