合體就會搞出引力波，說說黑洞們的日常
前天半夜，兩隻黑洞又在宇宙里搞了個大新聞：它們合體釋放的引力波再次被人類捕獲。然而我們想請它倆不要太得意，因為黑洞家族還有很多其他成員，作為宇宙中最兇猛的吃貨，不斷吞噬周圍的物質。比起天文學者木石今天要講的超大質量黑洞來說，上面兩個都還是小傢伙。
如果兩個小質量黑洞合并，就能產生超過整個可見宇宙的能量釋放，那麼兩個幾百萬到幾億太陽質量級別的超大質量黑洞併合，將百萬到億太陽質量級別的能量釋放出來……那時，將會產生何種強大的引力波？又會對宇宙會產生何種影響？
昨天，LIGO宣布他們於2015年12月26日再一次成功探測到引力波事件——GW151226。距離我們14.3億光年的兩個恆星級別的黑洞（14.2個太陽質量與7.5個太陽質量）旋轉著靠近並且合并形成了一個新的黑洞（20.8個太陽質量），於大約1秒的時間裡將約等同於太陽的質量轉化為巨大能量，以引力波的形式釋放出來。在這麼短暫的時間中釋放出的引力波能量，超過了目前可以觀測到的整個宇宙中恆星和星系以光的形式釋放出的能量總和。GW150914和GW151226這兩次事件作為目前最為有利的觀測證據，支持了黑洞的存在。
一個14.2個太陽質量的黑洞與一個7.5個太陽質量的黑洞合并將1個太陽質量以引力波釋放出來，就能夠產生超過整個可見宇宙的能量釋放，那麼兩個幾百萬到幾億太陽質量級別的超大質量黑洞併合，將百萬到億太陽質量級別的能量釋放出來，會產生何種強大的引力波？對宇宙到底有何影響？這些都是非常讓人感興趣的問題。超大質量黑洞就是我們今天故事的主角。
超大質量黑洞——星系中心的猛獸
黑洞，作為宇宙中最兇猛的野獸，不停地吞噬著周圍靠近它的物質。雖然黑洞可能存在於宇宙的各個地方，但是今天的人類由於技術的限制仍然無法抵達哪怕是潛在離我們最近的黑洞。從20世紀初頁起到現在，不管是從理論上還是觀測上，人類對黑洞的認識都有了極大的深入，敦促著我們拼盡全力不斷地探索、理解它們存在以及背後的運行邏輯。
當物質足夠聚集且質量足夠大，周圍的時空會發生會發生顯著變化，表現出強大的引力效應，任何東西包括光都無法從這個密度聚集區的周圍逃走。這樣的物質聚集及其周邊的時空被稱作黑洞（圖1），視界定義了區隔黑洞內部與外部世界的邊界（一個事件剛好能被觀察到的那個時空界面稱為視界。譬如，發生在黑洞里的事件不會被黑洞外的人所觀察到，因此我們可以稱黑洞的界面為一個視界）。上世紀經由包括愛因斯坦、史瓦西、愛丁頓、錢德拉賽卡等大量物理學家、天文學家和數學家的努力已經構建了較為系統的理論認知和猜測。且近些年在天文觀測上也取得了長足的進步。
圖1-恆星、白矮星以及黑洞和它們周圍的時空
黑洞有大有小，按照質量從恆星級黑洞（幾個到幾十個太陽質量，如銀河系內的天鵝座X-1）到星系級的超大質量黑洞（百萬太陽質量到百億太陽質量），遍布宇宙的各個地方。
離我們最近且科學家最了解的超大質量黑洞，當然是位於我們可愛的銀河系中心的人馬座A*。科學家通過對其周圍的恆星運動軌跡長達十幾年的持續監測（圖2），發現在6.25光時（67.5億公里）的範圍內存在一顆質量約為4百萬太陽質量的緻密天體，在人類已知的理論中，它最有可能且最合理的解釋只有超大質量黑洞（雖然理論上黑洞半徑仍然遠遠小於6.25光時）。在最近LIGO關於引力波的探測之前，這被認為是證明黑洞存在最為有力的觀測證據之一。
圖2-銀河系中心的人馬座A*周圍的恆星
當然這些超大質量黑洞並不是都會安安靜靜地待在那裡。它們有的正在侵吞周圍的物質（天文學家一般稱這樣的黑洞正處於活動狀態），而有的則剛剛吃完處於休眠期。
銀河系中心的黑洞目前正處在休眠期，基本沒有吸收（天文學上稱為吸積）周圍的物質（有科學家認為大約兩百萬年前銀河系中心的黑洞其實是處在活動期的，比目前看到的大約要亮10億倍，整個銀河系的景象會與目前看到的有所不同）。然而其他星系中心的超大質量黑洞並不一定都像現在的人馬座A*這樣安靜，它們中的許多會處在活動狀態，通過強大的引力吞噬著周圍的物質，釋放出巨大的能量。這些正在吸收著周圍氣體甚至光子的「暴食者」，在天文上被稱作活動星系核。
圖3-星際穿越中的卡岡圖雅
大家可能還記得，2014年底的《星際穿越》中，馬修·麥康納飾演的庫珀與安妮·海瑟薇飾演的布蘭德乘著永恆號到達卡岡圖雅黑洞時壯闊無比的景象（圖3）。卡岡圖雅正是這樣一個「暴食者」，持續吸積著周圍的物質，並把引力能通過粘滯和摩擦轉化為熱能釋放出去。這些被吸積過來的物質由於帶有原初角動量，便會形成一個盤狀的結構（圖4中左邊側視圖中的紅色盤狀物，成為吸積盤）。然而這畢竟是黑洞，故事總會有些許不同。黑洞周圍強大的引力偏折了光線，使得我們能夠越過黑洞看到黑洞後頭被遮擋的盤面，於是電影中造型奇特的「光暈」便呈現在了觀眾面前（圖3及圖4右邊）。
圖4-黑洞周圍吸積盤以及光線偏折
星系中心這些超大質量黑洞吸積周圍的物質所釋放出的巨大的能量甚至能夠超過它們的寄主星系裡百億到千億顆恆星釋放出的總能量，以至於黑洞周圍微小的區域（相對於星系尺度而言）的光芒甚至讓整個星系相比也顯得暗淡。這一點正是科學家對天文學中著名的類星體（活動星系核的一類）進行研究的起始點。
上世紀50年代到60年代，科學家陸續發現了一批看起來和恆星一樣的一些尺度微小的點光源（圖5，這就是黑洞和周圍的吸積盤被天文學家觀測到的樣子）。但是不同於普通恆星，它們在射電波段有明顯的輻射，而且光學波段又與恆星光譜上緻密的吸收線截然不同，輻射著很強又很寬的發射線。1963年，荷蘭科學家Maarten Schmidt通過分析這些發射線，確定了這些源的紅移，認定了這些天上的亮點是遙遠的河外天體。這一發現當時不光震驚了科學界，也在公眾界產生了顯著的影響，以至於Maarten Schmidt登上了1966年3月11日發行的《時代周刊》封面。
當時這一發現在科學界產生了廣泛的爭論，主要的焦點是這些天體到底是不是真的這樣遙遠，如果它們是河外天體，它們的能源產生機制到底是什麼。因為在當時看來即使是熱核燃燒也無法提供這樣高效率的能量轉化機制以維持它們釋放出的巨大能量。
英國天體物理學家DonaldLynden-Bell在1969年提出，如果是超大質量黑洞吞噬周圍的物質，將引力能釋放出來，就能夠解釋天文學家觀測到的極強輻射，成功的解決了類星體的能源機制問題，進而也就有了上面影片中所展現出來的黑洞吞噬物質的驚人景象。
圖5-類星體與一般星系。左下角3C273是一個典型的類星體，中心的超大質量黑洞正吞噬著周圍的物質
「點亮」宇宙的燭光
這些正處於活動狀態的黑洞（也被稱作活動星系核）不僅點亮了我們的宇宙，也開闢了一條理解宇宙的新窗口，有望藉助它們作為探針對宇宙早期的演化歷史給出觀測上的限制。
宇宙作為人類能夠感受到的最大客體，理解宇宙是無數科學家為之努力的終極目。一般認為宇宙誕生於一個密度無限大的點，經由大爆炸而產生，並不斷膨脹變大。宇宙學的理論模型隨同廣義相對論建立自上世紀前半頁，然而具體對宇宙的不同成分（包括重子物質、輻射、暗物質和暗能量）比例的測量，包括整個宇宙的演化歷史的理解，其實到上世紀末期才有了突飛猛進的進展。
了解到宇宙正處在加速膨脹階段，得益於1998、1999年的Adam Riess和Saul Perlmutter等人對Ia型超新星的觀測工作。Ia型超新星的亮度（天文上一般稱作光度）大致上維持在一個恆定的量級，通過一定修正後，我們就知道了它們的本徵亮度，於是可以利用這些Ia型超新星作為標準燭光來測量宇宙的距離。由於其相對較高的光度，可以測量紅移甚至大於1的宇宙學距離。越遙遠的地方代表著宇宙演化中更早的時刻，通過對Ia型超新星的觀測，人們發現宇宙目前正處在加速膨脹階段，從而對宇宙的演化（圖6）有了一定的認識。
圖6-宇宙的演化歷史
不過更早期的宇宙是如何演化的，依然缺乏觀測上的證據。Ia型超新星有著其自身的限制，一是本身亮度有限，很難觀測到紅移大於2的Ia型超新星；二是部分科學家認為恆星演化理論預言可能在高紅移還沒有演化出足夠數量的Ia型超新星，很難應用到更加早期的宇宙中去。其他測量宇宙的方法（微波背景輻射、重子聲學震蕩）又存在各自的限制，於是找到一類直接的測距工具測量高紅移宇宙（更加早期的宇宙）中的距離就成了擺在人們面前的一個亟待解決的問題。
於是處在星系中央的猛獸們就又被人們想起。超大質量黑洞擁有著Ia型超新星最亮時期的100倍甚至1000倍以上的光度，足以讓人們探測到宇宙更加遙遠的位置。只要能夠通過某些手段知道這些超大質量黑洞周圍吸積盤的本徵光度（或者說類星體和活動星系核的本徵光度），結合地面上觀測得到的輻射流量，就可以測量這些天體到我們的距離。
在類星體發現後的五十年時間裡人們進行了許多這方面的嘗試，並沒有成功地找到較高精度估計這些正在活動的超大質量黑洞的光度的方法。不過近幾年的一些國內外的研究工作提供了新的可行性，通過一定的經驗關係或者利用極端超高吸積率的超大質量黑洞的「光子囚禁效應」有可能能夠估計它們的本徵光度，從而把類星體和活動星系核作為燭光來測量宇宙的尺度。我們有理由相信，在不遠的將來黑洞燭光有望代替Ia型超新星，把人類了解宇宙的觸手伸向更遙遠的地方。
探索宇宙的跳板
今天的人們探索宇宙主要仰賴地面或空間望遠鏡，對宇宙學的研究也主要是藉助對Ia型超新星、微波背景輻射、重子聲學震蕩和引力透鏡效應等觀測（未來有望藉助黑洞）進行的。然而，更遙遠的未來如果人類有能力進行星際旅行，相信我們一定期望直接去看看離我們500億光年外的遙遠宇宙到底是如何豐富多彩的。
即使時至今日，從觀測上也依然不排除在部分星系中心的黑洞有可能是早期宇宙中殘存下來蟲洞的可能性，並仍然有工作試圖區分出星系中心的到底是黑洞還是蟲洞。蟲洞具備特殊的拓撲結構，能夠將時空中分隔開來的兩個區域連接起來，或者打通了多元宇宙模型中的兩個不同宇宙（圖7）。比如近年來就有工作提出可以利用靠近人馬座A*最內穩定軌道附件的等離子體熱斑來區分銀河系中心到底是帶有自轉的Kerr黑洞還是蟲洞。
假設銀河系中心可能是蟲洞，那麼這將是最有可能把人類送往另一個星系中心的大門。不過，即使我們已經有能力去往銀河系的中心，這意味著星系尺度的漫遊已經成為了可能，但星系與星系之間的距離將比星系本身的尺度大3個或更多個數量級（除了本星系群里的星系還算靠的近之外），未來找到在星系尺度漫遊的方法並不一定意味著能夠跳出我們的星系去往其他星系團中的星系內部。而且，不管是在銀河系內進行探索，還是通過蟲洞來往於不同星系，能量都是必須的，只有當人類有能力操控一定量級的能量時，才有可能通過前面所說的這些方法進行時空旅行。所以，銀河系中心的超大質量黑洞（這個時候我們可以把它稱為蟲洞）將是一個快捷的去往其他星系的方法，能夠有效減少所需的能量消耗。
圖7-蟲洞
然而，即便銀河系中心的黑洞連接著其他的時空，由於拓撲結構連接的目的地是固定的（雖然不排除可能會發生變化），我們仍然不能隨心所欲地去往我們想要去的任何地方。那麼如何去往我們想要去的其他星系，而不是只能在同一個門裡穿進穿出呢？其實在像銀河系這樣比較大的星系周圍，存在著許多質量比較小的矮星系，它們的中心也存在著中等質量的黑洞，如果它們連通著其它的地方，那麼這樣就構成了一個通往不同世界的交叉網路，我們有可能藉由這樣的網路往返於宇宙的不同的地方，甚至進行時間穿梭（不過理論上只能向後不能向前跳）。
圖8-本星系群中的矮星系
圖9-蟲洞網路
當然蟲洞也可能打通多元宇宙之間的壁障，連接著不同的宇宙。星系團中心的星系（被稱作最亮團星系）是人類已知質量最大的星系，相應的它們中心的黑洞也是目前已知質量最大的黑洞，也蘊含了最大的能量。我們的宇宙中要是有地方連接著其他的宇宙，這些最亮團星系中心的黑洞一定是最有可能的候選體。一旦我們能夠通過蟲洞網路，藉由多次跳躍來到這些最亮團星系，我們就有可能能夠達到其他的宇宙。
當然，有著無數的現實和理論問題阻礙著上面這些腦洞想法的實現，但是沒人知道未來會是怎樣，或許有一天這些都能成為現實。
圖10-多元宇宙
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※引力波與黑洞那些不得不說的事情
※人類又……又又探測到黑洞合并發出的引力波了！
※引力波一定是黑洞發出的嗎？還可能是蟲洞！
※再次探測到引力波！你可知道為何雙黑洞合并會產生引力波？
※一場由引力波引起的黑洞調查
※並非只有黑洞才能產生引力波：蟲洞也可以！
※黑洞就在我們身邊，伸手可以碰到卻感覺不出！
※第4個引力波結果出爐！並非中子星引力波，仍源自黑洞合併
※研究稱並非只有黑洞才能產生引力波：蟲洞也可以
※把時空作為超級彈弓，助力自己離家出走，不得不說黑洞真是會玩！
※黑洞的存在並不是我們想像的那樣，並不黑也不是一個洞
※你以為神奇的黑洞其實就是貔貅——只進不出？
※就連光都會被黑洞束縛，那引力是如何逃脫黑洞呢？
※引力波正在幫助我們解開黑洞如何形成的謎團
※引力波並非黑洞獨有 蟲洞也竟然也有引力波形成
※為什麼光不能逃脫黑洞的吞噬，引力波卻可以？
※沒有黑洞，宇宙將會永遠陷入黑暗，人類就不可能出現！
※霍金預言說：宇宙黑洞正在逐漸萎縮，也許有一天它會徹底消失
※黑洞不是永恆的：一言不合連自己都吞噬？