當一個黑洞蘇醒了，我們可以做些什麼？

天鵝座V404黑洞（V404 Cygni）在今年6月蘇醒了。

她自上次爆發後，一睡就是26年，這個世界上的90後還沒有見過她上次爆發的模樣。雖然無人知曉她的面容幾何，但我們可以讀懂她從距離我們7800光年的遙遠宇宙發來的消息——這條消息可是用高能的伽馬射線和X射線寫成的！

美國的雨燕（Swift）衛星最早收到了天鵝座V404黑洞蘇醒的消息，並通知了黯淡藍點上的公民們。

左圖是天鵝座V404在天空中的位置圖；右圖為美國雨燕衛星的宣傳圖（圖片來自於NASA）。

這個圖展示的是天鵝座V404亮度變化圖。除此之外，還有一些亮度變化的源。對於Cyg X-1和Cyg X-3是持續亮的(圖片來自於ESA/INTEGRAL/IBIS/ISDC)。

我們應當感謝科幻文學和科幻電影的繁榮，它們讓許多普通人認識甚至「目睹」了黑洞。現在，或許連一個中學生都知道：黑洞引力巨大、撕裂一切，連光線都逃脫不得。

愛因斯坦在100年前提出了偉大的廣義相對論，認為當所有的質量都集中在一個非常小的奇（qi）點上時，在某個範圍之內會產生巨大的引力，這就是黑洞吞噬萬物的道理。

望向宇宙深處的「眼睛」

看到這裡，或許你會問我，既然連光都逃脫不出黑洞的手掌心，我們怎樣觀測「黑洞」這個黑漆漆的洞呢？

人類的眼睛只能看到非常窄的一段電磁波譜，如果你有幸獲得一副可以看到X射線的眼鏡，那麼你將看到全然不同的宇宙圖景：我們的太陽會比現在暗許多，夜空中不再有繁星點點，而只剩下稀疏個亮點點綴其中——因為能夠產生如此高能輻射的點源天體非常有限——只有中子星、黑洞和少數的白矮星。

所以，戴上這隻神奇的眼鏡，你就可以看到天鵝座V404黑洞蘇醒的樣子啦，它就是天空中最亮的那個點，比目前知道的最亮的X射線天體天蠍座X-1（Sco X-1)還要亮上3倍。對於全人類來說，望遠鏡就是這樣一副神奇眼鏡：光學望遠鏡幫助我們看到更暗的天體，其它波段的望遠鏡幫我們認識光學之外的宇宙萬物。

當然，科學家們並非透過望遠鏡的鏡片就能直接看到張著大口、永遠吃不飽的「黑洞怪物」，人類所能做的只是間接地探測黑洞。接下來我們所說的黑洞之觀測，並不是地球人理所當然以為的「肉眼觀測」，而是通過能看見各種射線的望遠鏡觀測。

探測黑洞的秘訣

宇宙中有兩類黑洞我們能夠確認：

一類是恆星量級的黑洞，它的質量比太陽大一些，比如說大約有10個太陽質量，這一類黑洞就像其它恆星一樣，存在於星系的各個角落裡。就我們銀河系而言，估計就有超過一千萬個。

另外一類黑洞，被稱之為「超大質量黑洞」，這類黑洞的質量往往相當於至少幾百萬個太陽的質量（2014年，中國天文學家還發現了一個有10億個太陽那麼重的黑洞呢！），它們通常孤獨地存在於星系的中心。

儘管這兩類黑洞的質量有著天壤之別，但是會產生類似的天文觀測現象，這裡面可藏著人類觀測、探測黑洞的秘訣噢！

第一就是黑洞周圍那一圈明亮美麗的吸積盤。

通過吸積附近的?氣體，黑洞周圍會形成一個氣體盤（就是吸積盤），盤中的氣體圍繞著黑洞轉動，相互摩擦產生極大的能量，以光的輻射釋放出來，被球上的望遠鏡或者太空望遠鏡所看到。然而，因為觀測望遠鏡能力的限制，這一壯觀景象的具體細節我們只能在電影中看到，就像電影《星際穿越》中表現的那樣。那是動畫公司在科學家的指導之下，根據大量計算數據將黑洞可視化的結果。

第二種現象是噴流。

與吸積盤不同，噴流的空間尺度更大，更容易為望遠鏡所看到。在某些情況下，吸積氣體的黑洞會將多餘的、未進入黑洞中的氣體沿著轉動方向快速拋射出去，這些氣體由帶電粒子構成，本身含有磁場，所以會產生輻射，讓我們探測到它的存在。

正是黑洞的上面兩種表現，讓人類能夠知道它的存在。對於沉睡了26年的天鵝座V404黑洞來說，正是通過從伴星上吸積到了足夠氣體，吸積盤產生爆發，從而產生了非常強的高能輻射，給地球人捎來了口信。

天鵝座V404黑洞這次醒來了十幾天時間。在這次短暫而猛烈的爆發中，整個吸積盤都被摧毀了。在接下來的幾十年中，天鵝座V404需要從其伴星再積攢氣體，醞釀著下一次的爆發。

黑洞從伴星吸積氣體圖；噴流，吸積盤，黑洞的位置都被標註了出來。請注意這僅僅是示意圖，尺寸大小不完全成比例(圖片來自於NASA)。

給黑洞稱體重

所以，黑洞儘管是漆黑一片，但它時不時通過周圍一些物質活動，來向我們展示它的存在與巨大威力。

那麼，當宇宙深處傳來疑似黑洞存在的消息，天文學家如何確認那就是一個黑洞呢？要知道，中子星也有吸積盤和噴流現象噢。

這就需要科學家為那隻疑似為黑洞的東西測一下「體重」啦。

首先，從理論上來說，如果一個緻密天體的質量大於3個太陽質量，因為已經沒有任何已知力來支撐它自身的重量，所以，它會向中心塌縮形成恆星量級的黑洞。但因為黑洞本身不發光，所以只有黑洞周圍存在著伴星的時候，我們才能看到並且對黑洞的質量進行測量。

實際上，我們的銀河系理應存在著上千萬個恆星級的黑洞，目前我們確認的只有60多個。因為當黑洞和伴星一起圍繞運動的時候，我們才能夠利用簡單的物理定律，通過伴星的運動軌道測量到黑洞的質量。這種方法類似於利用月球運動來測量地球質量和利用地球運動來測量太陽的質量。

1974年，地球上兩顆聰明的大腦、理論物理學家霍金和好朋友基普·索恩就人類第一個黑洞候選體——天鵝座X-1 (Cyg X-1) ——是不是黑洞打了個賭，他們以一年的成人雜誌《閣樓》作為賭注。後來的觀測是利用天鵝座X-1中的伴星運動測得了黑洞質量，大約為15個太陽質量，從而霍金認輸並且在兩人的賭書上簽名按上了自己的手印。

霍金和索恩關於天鵝座X-1黑洞的打賭契約（摘自《黑洞與時空彎曲—愛因斯坦的幽靈》一書）

之前提到的兩類黑洞質量都可以用這種方法來測量。例如，銀河系的大質量黑洞位於人馬座中，它的名字叫Sgr A*，質量大約為400萬個太陽質量。

天鵝座V404黑洞在經歷了短暫爆發之後，現已重歸於平靜，讓我們期待她的再一次蘇醒吧。

（出品：科普中國；製作：黑洞來客團隊；監製：中國科學院計算機網路信息中心；「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。轉載請註明「來源：科普中國」。）

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