一旦进了这个“洞”，谁都别想出来
黑洞是个既陌生又熟悉的话题。它经常出现在科幻作品中，被描述成拥有着吸尘器般巨大吸引力、而且隐身的贪婪怪兽。前几年火遍大江南北的《星际穿越》展现了一个穿着发光腰带的黑洞——卡冈图雅。让大家不禁疑惑，黑洞周围原来也能发光？
卡冈图雅
昨天（北京时间2019年11月28日）凌晨，国际顶尖科学期刊《自然》在线发布了我国天文学家主导的一项重大发现。中国科学院国家天文台刘继峰研究员、张昊彤研究员领导的研究团队发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞。这个重大进展恐怕也刷爆了大家的朋友圈。
那么，黑洞究竟是什么？黑洞是黑的吗？我们如何“看”到黑洞呢？
一旦进了“洞”，谁都别想出来
最简单的黑洞模型是不带电也不转动的黑洞。这个模型源自1916年德国天文学家卡尔·史瓦西通过求解爱因斯坦引力场方程得到的一个精确解，该模型也因此得名史瓦西黑洞模型。
史瓦西 （图片来源：维基）
在这个模型中，黑洞中心是奇点，奇点是个时空被无限弯曲的区域，那里密度无限大；黑洞的形成使时空由视界分成了两部分——视界内和视界外。物质和光可以从视界外进入视界内，反之不行。这是因为在黑洞的视界内，引力很强，以至于连光都无法逃离。如果连光也出不来，那里面就是黑的，这也是它得名“黑洞”的主要原因。
视界 （图片来源：维基）
重要-视界半径整体效果 （图片来源：维基）
视界就像是现实生活中的地平线。视界以内就像是地平线以下，是我们无法看到的地方；视界以外就像是地平线以上。我们能看到视界之外，却无法看到视界之内。而视界的大小（视界面到奇点的距离）主要取决于黑洞的一个重要参数——质量。
致密天体的质量范围 （图片来源：NASA）
要完整描述一个黑洞，就只需要知道三个参量：质量，相当于有多重；电荷，带不带电，带正电还是负电，带多少电；角动量，指黑洞是否转动，转动的能力和方向如何。知道了它们三个参量，便知道了一切。这就是“黑洞无毛定理”。在中国，因为有着著名的漫画角色“三毛”，我们又称无毛定理为三毛定理。
在角动量和电荷参量相同的情况下，黑洞质量越大，视界就越大；质量越小，视界就越小。如果把我们的太阳压缩到直径3千米那么大，太阳内的物质将不断收缩塌陷，直至被挤压到奇点处，成为一个黑洞。
相较于史瓦西模型，宇宙中的黑洞很可能是转动的、有质量的黑洞，但大多黑洞是不带电的。
根据质量，天文学家们将宇宙中的黑洞分成三类：恒星级质量黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。恒星级质量黑洞，几倍-几百倍太阳质量；超大质量黑洞，几百万倍太阳质量以上；而中等质量黑洞，质量位于两者之间。
超大质量黑洞 （图片制作：李兆聿，上海天文台，背景图片来源：NASA和Misti Mountain Observatory）
目前普遍认为，恒星级质量黑洞，是大质量恒星演化到晚期，发生超新星爆炸之后留下的残骸。而超大质量黑洞，是更小质量的黑洞发生并合以及吞噬物质形成的。
要想“看到”黑洞，其实也没那么容易
首张黑洞照片M81（图片来源：EHT）
北京时间2019年4月10日，全球多地协调召开发布会，发布了人类的首张黑洞照片，提供了黑洞的首个直接视觉证据。在这次拍照前，主要有三类代表性证据可以证明黑洞的存在：
1. 恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。
第一次探测到的引力波信号GW150914 （图片来源：LIGO）
2. 根据黑洞吸积物质（科学家们把这个过程比喻成“吃东西”）发出的光来判断黑洞的存在。在黑洞强引力的作用下，周围的气体向黑洞下落，在距离黑洞几倍到几万倍视界的地方形成一个发光的腰带——吸积盘。以超大质量黑洞为例，如果把黑洞的吸积盘区域比作一个黄豆，普通星系就相当于一个身高5万米的巨人，虽说黄豆般大小的活跃黑洞比巨人般的星系小千万倍，但每秒钟发出的能量却要强很多。这种小尺寸、大能量的性质使我们推断它很可能是黑洞。
3. 通过探测到黑洞成长的过程探测黑洞。LIGO探测的五次引力波都对应了恒星级质量黑洞的并合事件，见证了更小的黑洞借助并合成长为更大黑洞的过程。这类引力波的发现，也是我们推断黑洞存在的证据之一。
探索黑洞，也是为了更好地探索宇宙
天文学家们发现，至少在近邻星系中，黑洞质量越大，它所居住的星系也具有更大质量的核球，核球中恒星的速度弥散也更大。这一现象预示了黑洞和星系像是约好一般进行协同演化。通过观测数据，再综合理论研究、计算机模拟，就能帮助回答黑洞的成长问题、黑洞与宿主星系的关系。
黑洞质量和寄主星系核球质量之间的关系 （图片来源：网络）
宇宙早期的黑洞发出的光要经过漫漫长路，穿越星（系）际物质时部分会被吸收。因此我们得到的光谱中有着众多的吸收线，这些吸收线形成星际物质留给我们的“脚印”，为我们研究宇宙中物质分布和整体结构提供了前所未有的帮助。
此外，还有一系列问题等着解决：黑洞种子是如何形成的，它具有多大的质量？宇宙早期黑洞如何吞噬周围的物质？黑洞和它的寄主星系在宇宙早期为什么不是协同演化的？这些未知的谜团，均吸引着我们心向黑洞。
“探索天文”系列课是什么？
它是由中国科学院上海天文台佘山科普教育基地出品的一套公益性天文课程。以天文学中大众关注度最高、最有趣的话题为主题，让专业的一线天文科研人员和科普专家从复杂的知识点中选取最有代表性的内容，分别从天文望远镜、月球、太阳系、星系动物园、黑洞、星座这六个方面，多角度地、趣味性和知识性兼有地介绍天文学中的知识和研究方法等。
拓展阅读：
约翰-皮尔•卢米涅.黑洞[M].湖南：湖南科学技术出版社,2002
李宗伟，肖兴华.天体物理学[M].北京：高等教育出版社,2000
玛西亚•巴楚沙.黑洞简史[M].湖南：湖南科学技术出版社,2017
讲师简介：
左文文，天体物理博士，上海天文台副研究员，从事科研和科学传播工作。研究方向主要包括类星体的光变、高红移类星体的黑洞质量测量、黑洞与寄主星系的共动演化、科学传播。
（未完待续）
下期预告：星座
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作者单位：中国科学院上海天文台
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