看见（不发光）黑洞的四种方法
撰文 赵维杰
你一定知道黑洞。你知道它是一个质量极大密度极大，以至于光都无法逃离的超级天体。在你的印象中，它可以吞掉胆敢靠近的任何物质，是宇宙中的“大恶魔”。
然而你有没有想过，既然连光都逃不出，我们要如何才能看到，或者说观测到这些隐藏在遥远宇宙中的黑暗天体？这篇文章将回答这一问题，带你了解看见黑洞的N种方法。
当然在这之前你必须知道，类似下面这样的黑洞图片，都是想象图（假的）。
图片来源：wikipedia
黑洞长啥样？
这样：
不，其实是这样：
没错，黑洞是空的。
黑洞是一个奇点，一个密度无限大而体积为零的奇点——等等，你一定是骗我，黑洞是有体积有边界的，我看过电影的你别骗我！
你所说的边界是“事件视界”，event horizon。在这个边界之内的所有物质，包括光，都无法逃脱中心奇点的引力，唯一的命运就是向中心的奇点加速靠近，然后融为一体。从黑洞外部看来，视界之内的空间只有黑暗。所以，视界也就成为了公认的“黑洞边界”。
视界的范围有多大？换句话说，黑洞有多大？
对于没有自转的黑洞，下面的公式给出了视界的半径（史瓦西半径）：
简单来说，黑洞的半径与黑洞质量成正比，与太阳质量相同的黑洞半径只有2.95千米。男性大学生3千米长跑的及格成绩约为14分40秒。这个从一头跑到另一头只要半个小时的空间，却是中心质量与太阳相当，任何物质都无法逃脱的 black hole。
黑洞 Black Hole 这一词语是美国记者 Ann Ewing 在1964年的一篇新闻报道中首先使用的，这篇报道题为“'Black Holes' in Space”。这一形象说法在1967年被理论物理学家 John Wheeler 使用后，逐渐得到学界认可。
黑洞都在哪儿？
质量不太大（几个几十个几百个太阳质量）的黑洞的分布和一般的恒星没有什么区别，而值得格外关注的是，在绝大部分星系的中心，都存在着一个超大质量（几十万到几百亿个太阳质量）的黑洞。在银河系的中心，这个黑洞被称为“人马座A*”，质量约为太阳质量的430万倍。
银河系中的太阳系。图源见图。
下面进入正题（前奏确实有点长……），我们如何看见黑洞？
黑洞真的只进不出？霍金说，NO！
1975年，霍金提出了“霍金辐射”，认为黑洞可以向外“发射”粒子，这些粒子从黑洞中带走能量，会使黑洞逐渐“蒸发”。
霍金。图片来源：epicrapbattlesofhistory.com
明明引力大到光都逃不出，霍金辐射是什么鬼？霍金给出的解释涉及到了量子场论中的一种“玄幻现象”。
在这个理论中，真空中会自发地产生虚粒子对（由于曾被认为无法观测，这种真空中量子涨落产生的粒子被称为虚粒子），两个虚粒子一个为正粒子一个为反粒子，并且一个携带正能量一个携带负能量，因此并不破坏物质守恒和能量守恒定律。通常情况下，这一对虚粒子会在极短时间内互相湮灭。
然而，如果这一过程发生在黑洞视界的边缘，就存在这样一种可能：负能粒子被吸入黑洞，而正能粒子逃离黑洞。从黑洞外部看来，这逃离的正能粒子，就是由黑洞发出的“霍金辐射”。在这个过程中，黑洞吸入负能粒子，内部能量降低，产生“蒸发”。霍金认为，由于黑洞外的普通时空不允许负能粒子的稳定存在，正能粒子进入黑洞而负能粒子逃离的现象不可能发生。
霍金辐射示意图。图片来源：S. W. Hawking (1974), via ©2005-2011 University of Texas.
那么，霍金辐射能够被探测到吗？我们能够通过探测霍金辐射而“看到”黑洞吗？
很遗憾，很可能不能。
霍金辐射的强弱与黑洞质量负相关，黑洞越大霍金辐射越低。一个太阳质量黑洞的霍金辐射强度只有100纳开尔文，远小于2.7开尔文的宇宙背景辐射，而更大质量黑洞的霍金辐射更小。所以，想要在“嘈杂”的宇宙背景音中识别出来自黑洞的霍金辐射可以说几乎无望。
黑洞越大霍金辐射越低，反之，黑洞越小霍金辐射越高。正是因为这一原因，科学家们才认为在实验室中制造黑洞是安全的，因为这些人造小黑洞的霍金辐射非常高，会在极短的时间内蒸发殆尽。
下一个问题是，既然探测不到来自黑洞的霍金辐射，我们怎么才能知道这种辐射是真实存在的？
2016年8月，以色列理工学院物理教授 Jeff Steinhauer 在《自然-物理学》杂志上发表了一篇论文，他在实验室中一个由玻色-爱因斯坦凝聚态创造的“声学黑洞”中观察到了霍金辐射。
顾名思义，声学黑洞是声音无法逃出的类黑洞，它和真正的黑洞一样，也具有霍金辐射。Steinhauer 教授的这一工作用类比告诉我们，黑洞的霍金辐射极有可能是真实存在的。“科研圈”曾对这一成果进行了详细的采访报道：模拟引力：实验室中的终极理论之梦
Steinhauer教授。图片来源： Steinhauer
说了半天，黑洞不是只进不出，它还有霍金辐射，然而并没有什么卵用，我们还是看不见它。对于这个无法直接观测的神秘天体，我们看见它的唯一途径只有间接观察：捕捉它与宇宙中其他物质发生相互作用时产生的片片涟漪：
看见黑洞第一招
恒星绕着黑洞转
前文提到，在绝大多数星系的中心，都存在着一个超大质量黑洞。正如地球绕着太阳转，星系中的恒星也都绕着这个超级黑洞旋转着。
从1995年起，天文学家开始对银河系中心“人马座A*”区域附近的90颗恒星进行轨迹观测和记录，这些记录清晰地显示：所有恒星都围绕着一个黑暗的中心运动着。20年中，这90颗恒星中的一颗名为S2的恒星完成了一次完整的绕行。根据S2的轨道数据，我们终于计算出了银河系中心这个黑暗天体的基本数据：质量约430万个太阳质量，半径约为0.002光年。这样一个高密度不发光的天体，几乎只可能是黑洞。
恒星绕人马座A*运动的轨迹。图片来源：Keck / UCLA Galactic Center Group.
看见黑洞第二招
黑洞吃东西：发出X射线的吸积盘
根据角动量守恒原理，在物质逐渐靠近并被吸入黑洞的过程中，物质（比如一颗恒星）会被黑洞的巨大引力撕扯成气体，并在黑洞视界的外围形成一个旋转的气体吸积盘，其中的气体一边旋转一边向视界靠近，最终被吸入黑洞。
黑洞吸积盘中气体的转速很高，而且越靠近视界速度就越高，高速气体之间的剪切摩擦会产生大量的热量，使吸积盘中心部分气体的温度达到惊人的高度并发出高强度的X射线。
任何物体都有不断向外辐射电磁波（热辐射）的本领，物体温度越高，辐射的电磁波波长越短。人体发出的热辐射位于红外波长，这是红外夜视仪工作的基础。而温度极高的黑洞吸积盘的热辐射波长极短，为X射线。
通过对吸积盘所发射X射线的观测，我们是不是就可以看到黑洞？
答案是肯定的。我们可以捕捉到来自天外的X射线，并由此推断黑洞的存在。
NASA观测到的来自黑洞的X射线。图片来源：http://www.jpl.nasa.gov
然而，人类尚未观察到完整的黑洞吸积盘光学图像。这是因为黑洞离地球太远，因此看起来太小，在其周围众多明亮恒星的掩映之下，我们很难直接观测到被吸积盘环绕的黑洞。
要想直接看到黑洞吸积盘，我们需要更大的望远镜，比如由多国天文学家合作架设的虚拟望远镜平台：事件视界望远镜。事件视界望远镜是由位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的天线组成观测阵列，它将对银河系中央的人马座A *黑洞进行观测，捕捉黑洞周围环境的清晰图像。按照预期，它将可能在今年夏天拍摄到第一张真实的“黑洞照片”。
科学家预想中的事件视界望远镜观测结果。图片来源：C-K CHAN/D PSALTIS/F OZEL
看见黑洞第三招
黑洞和可见恒星的双星系统
第三招可以算是前两招的集合体。当黑洞和可见的恒星组成双星系统，彼此绕行，前面讲过的两种现象将同时发生：我们可以看到恒星围绕黑洞的运动轨迹，也可以看到恒星物质周期性被吸入黑洞而产生的吸积盘X射线。
事实上，天文学上的第一个“黑洞有效候选人”Cygnus X-1就是通过这种方式，在1972年被观测到的。
来自Cygnus X-1的X射线。图片来源：NASA/CXC
看见黑洞第四招
两个黑洞的融合：引力波
2016年2月11日，LIGO 科学合作组织和 Virgo 团队宣布他们利用高级 LIGO 探测器（激光干涉引力波天文台）首次探测到了引力波信号。全球物理学界为之沸腾，广义相对论得到了百年之中最为直接和肯定的实测证据。
而 LIGO 探测到的引力波信号，来自于两个黑洞的融合，是两个“宇宙恶魔”你死我活而激起的空间震颤。来自 LIGO 的引力波信号，不仅是广义相对论的最直接证据，也是“黑洞存在”迄今为止的最有力证据。
旋转融合中的两黑洞示意图。图片来源：SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project
以上就是目前为止，人类能够“看到”黑洞的几种手段。
作为文章结尾的彩蛋，我们来说一说“白洞”。没错，在物理学家的理论中，不只有黑洞，还有白洞。与黑洞的只进不出相对，白洞只出不进，物质只能从其内部逃离，而无法进入。根据物理学家们的理论，黑洞和白洞由虫洞相连，从黑洞进入的物质可以从白洞出来。而最新的观点认为，是大量彼此纠缠的量子之间的“通道”创造了虫洞，也创造了由虫洞相连的白洞和黑洞——理论物理学家的世界，真难懂。
参考资料：
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole
[2] http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/02/06/how-can-we-see-black-holes/
[3] http://www.vox.com/science-and-health/2017/1/11/14229182/stars-orbit-black-holes
[4] http://www.bbc.com/news/science-environment-35258378
[5] https://www.scientificamerican.com/article/ligo-discoveries-will-help-scientists-run-stellar-autopsies-on-colliding-black-holes/
[6] 量子纠缠创造了虫洞，《环球科学》2017年1月刊
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