你好，黑洞！

2019年4月10日，黑洞，这个神秘的天体终于和大家见面了。“视界望远镜”（Event Horizon Telescope，以下简称“EHT”）团队，宣布捕捉到了M87星系中心特大质量黑洞图像，终于让人们一睹黑洞的“芳容”，但必须实事求是地说，首张黑洞照片只是我们认识黑洞的小小一步。

现代天体物理中的黑洞，源自爱因斯坦广义相对论的推论，揭示了物理学中的极限。它是宇宙中最致密的天体，强大的引力让光都无法从黑洞视界中逃逸。黑洞也是最能激发人类好奇心和想象力的东西。比如人接近黑洞会怎么样？理论告诉我们，他们会被拉伸、压缩，经历“面条化”。

然而在黑洞的照片之前，我们见到的所谓黑洞的图片，都是经过艺术处理的图片。没有哪位天文学家真正见过黑洞，我们得到了一些间接的证据，“听到”了一些声音，这些声音是数十亿年前黑洞碰撞产生的时空的涟漪——引力波。为什么黑洞这么难被发现，它又如何被确定存在？来看看科学家都发现了什么。

黑洞如何形成

认定黑洞的存在经过了科学史上漫长而曲折的过程，从18世纪提出的“暗星”，到广义相对论引力场方程的精确解，又经历对恒星演化过程的研究，到了20世纪90年代，人们才看到了黑洞存在的间接证据。

目前公认的恒星级质量的黑洞是由大质量恒星自身坍缩而形成的。当恒星的核燃料耗尽，也就是恒星到达生命的尽头时，它们会膨胀，失去质量，然后冷却形成白矮星。但是这些炽热的天体中较大的，比如9到25倍太阳质量的恒星，它们会随着一场大爆炸——超新星爆发而坍缩成中子星。如果质量再大一些，25个以上的太阳质量，它们会进而演化成黑洞。当然，这些数字也不是绝对的，通常恒星质量级别的黑洞在3到100个太阳质量的区间。

超新星爆发会将恒星的物质抛向太空，只留下核心。本来恒星可以通过自身的核聚变产生持续向外的推力，以平衡恒星自身质量向内的引力。但爆发后恒星的残骸不会再提供推力，但自身巨大的引力还在，就只能向内坍缩。当它持续坍缩，半径收缩到史瓦西半径时，黑洞就诞生了。现在科学家认为银河系中存在着成千上万个恒星质量级的黑洞，确认了20多个存在。

当然，如果以质量划分，黑洞还有其他几种类型，如超大质量黑洞（数百万倍太阳质量）和微型黑洞（理论上小于太阳质量）。科学家还不清楚超大质量黑洞是如何形成的，他们推测是黑洞吸收了其附近的恒星和气体云等逐渐长大而成。对于微小型黑洞，天文学家认为可能是在大爆炸后的早期混沌宇宙中形成的。

为什么此前看不见

看不见黑洞，并不完全因为它是“黑”的。在此之前，我们实际上能够观察到的黑洞，是视界以外的部分。黑洞的质量几乎都集中于最中心的“奇点”处，但仍有一个临界半径“视界面”，我们能看到视界面外的物质。但真正让我们看不到它的原因是，即使是超大质量黑洞，对我们来说也太小了！按《自然》杂志的说法，要一台比哈勃强大1000倍的望远镜才能观测它。

比如这次EHT团队观察银河系中心的人马座A*（SgrA*）的质量相当于400万个太阳，它的视界面直径约为2400万公里，相当于17个太阳大小，然而它距离我们有2.5万光年远，实际对我们来说非常微小。有很多比喻来形容这一距离，比如中科院国家天文台苟利军研究员在科普文章中形容，“就像我们站在地球上观看一枚放在月球表面的橙子”。

另一方面，由于黑洞的强大引力，它往往被其他明亮的物质包围，这使得我们很难看到黑洞本身。这就是为什么在寻找黑洞时，天文学家通常不会尝试直接观测，他们要寻找黑洞存在的间接证据，比如黑洞对其周围天体的作用和影响。

天文学家还能通过黑洞周围的吸积盘和发出的喷流而确定它的存在。当物质被黑洞吸收时，会沿着螺旋状的轨道靠近黑洞，從而形成一个圆盘状的吸积盘。在被吸入黑洞的同时，它们还会沿着旋转轴的方向喷出高能粒子，也就是喷流。这些高强度的辐射能被地球上的望远镜捕获到，从而认定黑洞的存在。

黑洞的间接证据一：X射线

1999年，美国国家航空航天局发射了三颗卫星，它们组成了钱德拉塞卡X射线天文台。这是以著名的美籍印裔物理学家钱德拉塞卡命名的望远镜，专门观测不同天体发出的X射线。对于黑洞存在的最好证据就来自这里。

在黑洞的引力下，吸积盘内物质落入黑洞的速度极快，物质之间的摩擦使它被加热至数十亿度的高温，从而发出辐射，这些辐射就包括有X射线。如果黑洞吸收的物质过多，喷流也会出现爆发。天文学家把这一个过程形象地称为“打嗝”——就像黑洞进食过程中打了一个嗝。

钱德拉塞卡天文台记录了一次著名的打嗝。两个距离我们大约2600万光年的星系NGC5195和涡状星系NGC5194，爆发出了强烈的X射线。这是一对著名的交互作用星系，天体物理学家认为这次X射线爆发来自里面巨大的黑洞。

最近的研究显示，在银河系中心的大黑洞周围，还拥有着甚至超过20000个较小的黑洞。一组研究人员发现了银河系中心3光年范围内存在十几个黑洞的证据。下面也是一个X射线图像，他们用蓝色的圆圈来表示黑洞。

黑洞只有在“吞噬食物”时才会释放强烈的X射线，但“捕捉”它们非常不容易。黑洞一般来说很难侦测到，即使是像银河系中心的黑洞，它的吸积盘也非常暗淡，能记录一下它的爆发并不容易。除了X射线，还有一些其他方法能证明它的存在，比如射电波。

黑洞的间接证据二：

喷流，比星系本身还长

这张来自哈勃望远镜和甚大射电望远镜（VLA）数据合成的图片，显示了来自20亿光年外，有银河系质量1000倍大小的武仙座A黑洞爆发出的喷流。这个看似普通的明亮星系却有一个25亿太阳质量的黑洞，科学家通过VLA看到了它爆发出的喷流。喷流实际是非常高能的等离子束，只能通过射电望远镜观察到它的信号。其爆发出的单边距离就达150万光年，相比之下星系本身在光学成像下就显得十分渺小。