作者：太空生物学·黄媂
黑洞是现代广义相对论中存在于宇宙空间中的一种天体，时空展现出引力的加速度极端强大，以至于使得视界内的逃逸速度大于光速，是一个任何粒子或电磁辐射，包括光都无法逃离的区域或者说是天体。
“黑洞”这个天体的名字，是谁给它命名的？早在1784年11月，时任剑桥学监的“约翰·米歇尔”给物理学家“卡文迪许”（Henry Cavendish）写了一封信，信中就提出过有巨大到连光都无法逃逸的天体，但是他当时用“Dark star”（黑暗之星）这个词来形容。
图解:“约翰·米歇尔”
在20世纪初期的物理学家使用的词是“引力坍塌的物体”来形容黑洞。
美国物理学家“罗伯特·亨利·迪克”在1960年代，以一个恶名昭彰进去就出不来的监狱来比喻这种天体，这座监狱被称为“加尔格达黑洞”，正是因为“加尔格达黑洞”这座监狱的比喻，“黑洞”这个词正式新鲜出炉。随后《生活》杂志和《科学新闻》杂志，在1963年的出版品中使用了“黑洞”这个名词，
而这个词真正的发扬光大是在物理学家“约翰·惠勒”在1967年12月的讲座上，有一位学生再一次的提出了黑洞这个名词，当时“惠勒”觉得黑洞这个词简洁并具有广告价值，于是予以采用并成为了术语。使得黑洞这个词迅速的被推广，也因此有人误认为是“惠勒”提出了黑洞这个名字。
黑洞的形成通常要经历几个阶段：
- 第一阶段：
其实每个至暗的黑洞，都曾经在宇宙中光芒万丈，曾经轰轰烈烈地展示过其生命的灿烂与光辉，我们知道大部分的恒星内部聚集着大量的氢原子，核聚变将氢原子变成了氦原子并释放出了极大的能量，正是这股能量以热压辐射的形式存在来对抗这巨大的引力，这两股力量之间刚好维持着一个平衡，支撑着恒星不会坍缩，因此只要核心持续的核聚变，恒星就能够维持足够的稳定度。
- 第二阶段：
而当核心的燃料耗尽恒星寿命终结的时候，恒星就会因为冷却而内部压力下降，进而导致在引力的作用下坍缩，而对于那些比太阳的质量大很多的恒星，核心内的热能和压力可以使它们合成更重的元素，最终可能合成铁原子，但是值得注意的是产生出铁元素的过程不产生任何的能量。
- 第三阶段：
当铁核在大质量恒星中央累积到一定程度后，辐射能与重力之间的平衡就瓦解了，出现了铁核坍缩，就在几千分之一秒内，恒星产生自爆，并以1/10的光速移动，这个过程就是恒星的死亡过程，也就“超新星爆发”。
- 第四阶段：
“超新星爆发”后，引力坍缩形成了一个接近“史瓦西”半径的球形，“史瓦西”半径是任何具有质量的物质，都存在着一个临界半径的特征值。
1916年，德国物理学家“史瓦西”运用爱因斯坦的广义相对论计算得出的一个结论，这个理论直到1971年被证实，当物体的实际半径小于“史瓦西”半径的时候，这个物体就变成黑洞。
- 举例说明：
太阳的“史瓦西”半径约为3千米，地球的“史瓦西”半径只有9毫米，也就是说如果把地球压缩成直径1.8厘米以内，地球就会变成黑洞。
引力坍缩形成了一个接近“史瓦西”半径的球体以后，原子核的排列还在，原子的结构也没有被破坏，但是电子都被挤压到了原子核里，质子和电子被挤到一起就成为了中子，然后整个坍塌结构停止，这个状态“中子星”，而此刻如果中子星的质量超过了太阳质量的3~4倍以上，也就是“奥本海默·沃尔科夫”极限（中子星的质量上限，是在广义相对论框架下描述一个处在定态引力平衡状态下的各向同性球对称物体结构的约束方程，它所描述的是恒星在辐射压力和自身引力作用下的相对论性流体静力学平衡）。那这颗中子星还会继续在引力的作用下坍缩，当缩小到史瓦西半径以内的时候，原子的结构就会彻底破坏，此时已经没有什么力量可以与引力进行抗衡了，所有的物质都会向着中心点疯狂的移动，最终形成体积无限小且密度无限大的天体--“黑洞”。
引力坍塌并不是唯一能形成黑洞的过程，黑洞理论上可以在达到足够密度的高能碰撞中形成，但是黑洞的质量必然有一个下限，从理论上预期这个边界应该在“普朗克”质量（mP=√hc/G≈1.22*1019GeV/c2≈2.18*10-8kg, 普朗克质量是宏观尺度与微观尺度的分界点，当物质的质量大于普朗克质量时，它的行为是确定的，表现出宏观的物质特性，当物质的质量小于普朗克质量时，它的行为是不确定的，表现出微观的量子特性）的附近，但是量子引力的发展表明普朗克质量可能非常低，这将使微型黑洞在宇宙射线撞击大气层时发生的高能碰撞中产生，或者有可能在“CERN（欧洲核子研究组织，是世界上最大型的粒子物理学实验室）”的大型强子对撞机中产生。
碰撞产生的“微型黑洞”，有很多人担心撞出黑洞地球是不是就没了，其实不会。即使可以形成微型黑洞，也会在大约10-25秒内蒸发，不会对地球造成任何威胁。
- 第一部分：“黑”。
假如正看着黑洞，看到的是它的事件视界，正如广义相对论所预测的，质量的存在使时空变形，使粒子的路径朝向质量弯曲在黑洞的事件视界，这种变形强烈到没有任何的路径是远离黑洞的，任何东西想要通过这个事件视界逃逸，逃逸速度都必须超过光速。
爱恩斯坦的相对论指出，在任何惯性坐标中，物质的速率都不可能超越真空中的光速，也就是说包括光在内的一切物质都无法从事件视界到达外部，所以看到的只是一个不会反射任何光的黑暗球面。
这就是黑洞“黑”的部分。
- 第二部分：“洞”。
而在史瓦西半径以下天体的任何物质，也就是所有进入到事件视界范围内的一切物质都塌陷成一个质量无限大，密度无限大，面积无限小的一个点也就是引力奇点，在奇点处目前认知的空间、时间和物理定律都不再适用。
根据广义相对论所描述，奇点是一个时空曲率变得无限的区域，就像是一个永远饥饿吞噬一切的洞一样。
这就是黑洞“洞”的部分。
虽然看不到黑洞事件视界内的东西，但是科学家们通过观察和研究很多周围的现象发现，黑洞的周围遍布着气体和灰尘形成的颗粒，这些颗粒以大约1/10光速围绕着黑洞进行高速旋转，如此高速的运动会导致持续不断的爆发辐射，并产生出超高的亮度，这称之为“吸积盘”。
越接近黑洞的事件视界，速度就会越快，黑洞所必须承受的越多，它的事件视界的范围就会越大，在其周围形成的吸积盘就会越大越亮，因此最大最亮的吸积盘中心有一个超大质量的黑洞。这种大质量的黑洞几乎存在于每个超大星系的中心区域，比如我们的银河系。
- 举例说明：
德国天文学家们曾于2008年证实，在银河系的中心与地球相距约2.6万光年的“人马座A”就是一个超大质量的黑洞，其质量约为400亿倍的太阳质量。
图解：“人马座A”
黑洞并不是像吸尘器一样把周围的物质都吸到事件视界内，当物质靠近黑洞边缘的时候，物质周围的时空被扭曲成了曲率无限大，等于说物质所在的范围也成了事件视界，相当于黑洞的视界线扩大将物质吞噬掉。
- 举例说明：
把太阳换成一个同质量的黑洞，根据瓦西半径，太阳（黑洞）的直径大概是在6千米左右，但是此时太阳系的行星并不会被太阳（黑洞）吸进去，而是依然会围绕着太阳的黑洞公转。
芬兰科学家发现了一个巨大的双黑洞系统，它距离地球35亿光年，经过研究发现这是人类观测到的宇宙中最大的黑洞，这个超大的黑洞名为“SDSS J140821.67 025733.2”。
这个黑洞是天文学所记录最大黑洞（TON 618）的三倍，它的质量约为太阳的1961倍，相当于一个小型的星系，形成于“OJ287”类星体的中心位置，“OJ287”类星体包含着两个黑洞，除此之外还有一个质量越小的黑洞，这个较小的黑洞质量大约是太阳的1亿倍。预计在未来1万年里这两个黑洞将发生合并。
通过对这个巨大黑洞旁小型黑洞的观测，天文学家用较强的重力场作用现象证实了爱因斯坦的相对论。
1974年，霍金预言黑洞会辐射出少量的热辐射，这种效应被称为“霍金辐射”。
如果霍金的理论是正确的，那么黑洞会因为光子和其他的粒子发射而损失质量，也就是说会随着时间的流逝而收缩和蒸发，霍金的计算还有一个重要的发现，黑洞的质量越小，温度越高，蒸发也越快。而质量越大的黑洞，温度越低，蒸发的越慢。
- 微黑洞的宿命
换个说法来讲，对于微型黑洞来说，发射粒子的过程十分迅猛，相当于爆发，对于巨型黑洞来说，发射粒子的过程十分缓慢相当于蒸发，这也是为什么说“CERN”大型强子对撞机中即使产生黑洞也不会对地球造成影响。
- 巨型黑洞的宿命
对于大型的黑洞来讲，其霍金辐射的蒸发速度远远低于其吸收能量的速度，因此就目前的时间尺度范围来看，遍布宇宙中的黑洞，在未来几十亿年间依然会以一定的速度增长，而只有当宇宙微波背景的温度降到该黑洞的温度之下，一个太阳质量的黑洞大约将在10年内蒸发，而质量为太阳1000亿倍的超大黑洞将会在大约2*10100年蒸发掉，这个数字已经远远大于目前人类可观测宇宙的本身年龄。
结语·“天鹅座X-1” 奠定了黑洞理论的基础在上个世纪60年代的时候，美国为登月做准备，发射了一系列探空火箭进行观测，在1964年的一次火箭弹道飞行时发现了这个奇怪的天体，发现它是从地球观测到的最强的“X射线”源之一，正是“天鹅座X-1”（CygX-1）。
“天鹅座X-1”距离地球大约6070光年，其质量大约是太阳的14.8倍，它的事件视界半径约为26公里，是最先被广泛称为黑洞的候选星体。（候选星体：黑洞观察有实际的困难度存在，宣称某个星体是黑洞，其并不能全面验证黑洞的所有特征，无法满足专业天体物理的数据要求，因为当时天文数据库当中并没有黑洞，严格来说只有黑洞候选星体）。
后来确定这是一个黑洞，也是人类发现的第一个黑洞。
“天鹅座X-1”还曾经是物理学家“史蒂芬·霍金”和“吉普·索恩”的打赌的主角，霍金赌这个空间里并没有黑洞存在，霍金后来解释这是一个“保险措施”，在《时间简史》里霍金有提及。
而根据《时间简史》的10周年更新版本，霍金已经承认输了打赌，因为之后的观测数据支持黑洞理论，打赌虽然输了却奠定了黑洞理论的基础。
#青云计划#@头条科学
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