看見黑洞的四種方法

撰文趙維傑

你一定知道黑洞。你知道它是一個質量極大密度極大，以至於光都無法逃離的超級天體。在你的印象中，它可以吞掉膽敢靠近的任何物質，是宇宙中的「大惡魔」。

然而你有沒有想過，既然連光都逃不出，我們要如何才能看到，或者說觀測到這些隱藏在遙遠宇宙中的黑暗天體？這篇文章將回答這一問題，帶你了解看見黑洞的N種方法。

當然在這之前你必須知道，類似下面這樣的黑洞圖片，都是想像圖（假的）。

圖片來源：wikipedia

黑洞長啥樣？

這樣：

不，其實是這樣：

沒錯，黑洞是空的。

黑洞是一個奇點，一個密度無限大而體積為零的奇點——等等，你一定是騙我，黑洞是有體積有邊界的，我看過電影的你別騙我！

你所說的邊界是「事件視界」，event horizon。在這個邊界之內的所有物質，包括光，都無法逃脫中心奇點的引力，唯一的命運就是向中心的奇點加速靠近，然後融為一體。從黑洞外部看來，視界之內的空間只有黑暗。所以，視界也就成為了公認的「黑洞邊界」。

視界的範圍有多大？換句話說，黑洞有多大？

對於沒有自轉的黑洞，下面的公式給出了視界的半徑（史瓦西半徑）：

簡單來說，黑洞的半徑與黑洞質量成正比，與太陽質量相同的黑洞半徑只有2.95千米。男性大學生3千米長跑的及格成績約為14分40秒。這個從一頭跑到另一頭只要半個小時的空間，卻是中心質量與太陽相當，任何物質都無法逃脫的 black hole。

黑洞 Black Hole 這一詞語是美國記者 Ann Ewing 在1964年的一篇新聞報道中首先使用的，這篇報道題為「 Black Holes in Space」。這一形象說法在1967年被理論物理學家 John Wheeler 使用後，逐漸得到學界認可。

黑洞都在哪兒？

質量不太大（幾個幾十個幾百個太陽質量）的黑洞的分布和一般的恆星沒有什麼區別，而值得格外關注的是，在絕大部分星系的中心，都存在著一個超大質量（幾十萬到幾百億個太陽質量）的黑洞。在銀河系的中心，這個黑洞被稱為「人馬座A*」，質量約為太陽質量的430萬倍。

銀河系中的太陽系。圖源見圖。

下面進入正題（前奏確實有點長……），我們如何看見黑洞？

黑洞真的只進不出？霍金說，NO！

1975年，霍金提出了「霍金輻射」，認為黑洞可以向外「發射」粒子，這些粒子從黑洞中帶走能量，會使黑洞逐漸「蒸發」。

霍金。圖片來源：epicrapbattlesofhistory.com

明明引力大到光都逃不出，霍金輻射是什麼鬼？霍金給出的解釋涉及到了量子場論中的一種「玄幻現象」。

在這個理論中，真空中會自發地產生虛粒子對（由於曾被認為無法觀測，這種真空中量子漲落產生的粒子被稱為虛粒子），兩個虛粒子一個為正粒子一個為反粒子，並且一個攜帶正能量一個攜帶負能量，因此並不破壞物質守恆和能量守恆定律。通常情況下，這一對虛粒子會在極短時間內互相湮滅。

然而，如果這一過程發生在黑洞視界的邊緣，就存在這樣一種可能：負能粒子被吸入黑洞，而正能粒子逃離黑洞。從黑洞外部看來，這逃離的正能粒子，就是由黑洞發出的「霍金輻射」。在這個過程中，黑洞吸入負能粒子，內部能量降低，產生「蒸發」。霍金認為，由於黑洞外的普通時空不允許負能粒子的穩定存在，正能粒子進入黑洞而負能粒子逃離的現象不可能發生。

那麼，霍金輻射能夠被探測到嗎？我們能夠通過探測霍金輻射而「看到」黑洞嗎？

很遺憾，很可能不能。

霍金輻射的強弱與黑洞質量負相關，黑洞越大霍金輻射越低。一個太陽質量黑洞的霍金輻射強度只有100納開爾文，遠小於2.7開爾文的宇宙背景輻射，而更大質量黑洞的霍金輻射更小。所以，想要在「嘈雜」的宇宙背景音中識別出來自黑洞的霍金輻射可以說幾乎無望。

黑洞越大霍金輻射越低，反之，黑洞越小霍金輻射越高。正是因為這一原因，科學家們才認為在實驗室中製造黑洞是安全的，因為這些人造小黑洞的霍金輻射非常高，會在極短的時間內蒸發殆盡。

下一個問題是，既然探測不到來自黑洞的霍金輻射，我們怎麼才能知道這種輻射是真實存在的？

2016年8月，以色列理工學院物理教授 Jeff Steinhauer 在《自然-物理學》雜誌上發表了一篇論文，他在實驗室中一個由玻色-愛因斯坦凝聚態創造的「聲學黑洞」中觀察到了霍金輻射。

顧名思義，聲學黑洞是聲音無法逃出的類黑洞，它和真正的黑洞一樣，也具有霍金輻射。Steinhauer 教授的這一工作用類比告訴我們，黑洞的霍金輻射極有可能是真實存在的。「科研圈」曾對這一成果進行了詳細的採訪報道：模擬引力：實驗室中的終極理論之夢

Steinhauer教授。圖片來源： Steinhauer

說了半天，黑洞不是只進不出，它還有霍金輻射，然而並沒有什麼卵用，我們還是看不見它。對於這個無法直接觀測的神秘天體，我們看見它的唯一途徑只有間接觀察：捕捉它與宇宙中其他物質發生相互作用時產生的片片漣漪：

看見黑洞第一招

恆星繞著黑洞轉

前文提到，在絕大多數星系的中心，都存在著一個超大質量黑洞。正如地球繞著太陽轉，星系中的恆星也都繞著這個超級黑洞旋轉著。

從1995年起，天文學家開始對銀河系中心「人馬座A*」區域附近的90顆恆星進行軌跡觀測和記錄，這些記錄清晰地顯示：所有恆星都圍繞著一個黑暗的中心運動著。20年中，這90顆恆星中的一顆名為S2的恆星完成了一次完整的繞行。根據S2的軌道數據，我們終於計算出了銀河系中心這個黑暗天體的基本數據：質量約430萬個太陽質量，半徑約為0.002光年。這樣一個高密度不發光的天體，幾乎只可能是黑洞。

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恆星繞人馬座A*運動的軌跡。圖片來源：Keck / UCLA Galactic Center Group.

看見黑洞第二招

黑洞吃東西：發出X射線的吸積盤

根據角動量守恆原理，在物質逐漸靠近並被吸入黑洞的過程中，物質（比如一顆恆星）會被黑洞的巨大引力撕扯成氣體，並在黑洞視界的外圍形成一個旋轉的氣體吸積盤，其中的氣體一邊旋轉一邊向視界靠近，最終被吸入黑洞。

黑洞吸積盤中氣體的轉速很高，而且越靠近視界速度就越高，高速氣體之間的剪切摩擦會產生大量的熱量，使吸積盤中心部分氣體的溫度達到驚人的高度並發出高強度的X射線。

任何物體都有不斷向外輻射電磁波（熱輻射）的本領，物體溫度越高，輻射的電磁波波長越短。人體發出的熱輻射位於紅外波長，這是紅外夜視儀工作的基礎。而溫度極高的黑洞吸積盤的熱輻射波長極短，為X射線。

通過對吸積盤所發射X射線的觀測，我們是不是就可以看到黑洞？

答案是肯定的。我們可以捕捉到來自天外的X射線，並由此推斷黑洞的存在。

然而，人類尚未觀察到完整的黑洞吸積盤光學圖像。這是因為黑洞離地球太遠，因此看起來太小，在其周圍眾多明亮恆星的掩映之下，我們很難直接觀測到被吸積盤環繞的黑洞。

要想直接看到黑洞吸積盤，我們需要更大的望遠鏡，比如由多國天文學家合作架設的虛擬望遠鏡平台：事件視界望遠鏡。事件視界望遠鏡是由位於美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極的天線組成觀測陣列，它將對銀河系中央的人馬座A *黑洞進行觀測，捕捉黑洞周圍環境的清晰圖像。按照預期，它將可能在今年夏天拍攝到第一張真實的「黑洞照片」。

科學家預想中的事件視界望遠鏡觀測結果。圖片來源：C-K CHAN/D PSALTIS/F OZEL

看見黑洞第三招

黑洞和可見恆星的雙星系統

第三招可以算是前兩招的集合體。當黑洞和可見的恆星組成雙星系統，彼此繞行，前面講過的兩種現象將同時發生：我們可以看到恆星圍繞黑洞的運動軌跡，也可以看到恆星物質周期性被吸入黑洞而產生的吸積盤X射線。

事實上，天文學上的第一個「黑洞有效候選人」Cygnus X-1就是通過這種方式，在1972年被觀測到的。

來自Cygnus X-1的X射線。圖片來源：NASA/CXC

看見黑洞第四招

兩個黑洞的融合：引力波

2016年2月11日，LIGO 科學合作組織和 Virgo 團隊宣布他們利用高級 LIGO 探測器（激光干涉引力波天文台）首次探測到了引力波信號。全球物理學界為之沸騰，廣義相對論得到了百年之中最為直接和肯定的實測證據。

而 LIGO 探測到的引力波信號，來自於兩個黑洞的融合，是兩個「宇宙惡魔」你死我活而激起的空間震顫。來自 LIGO 的引力波信號，不僅是廣義相對論的最直接證據，也是「黑洞存在」迄今為止的最有力證據。

旋轉融合中的兩黑洞示意圖。圖片來源：SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project

以上就是目前為止，人類能夠「看到」黑洞的幾種手段。

作為文章結尾的彩蛋，我們來說一說「白洞」。沒錯，在物理學家的理論中，不只有黑洞，還有白洞。與黑洞的只進不出相對，白洞只出不進，物質只能從其內部逃離，而無法進入。根據物理學家們的理論，黑洞和白洞由蟲洞相連，從黑洞進入的物質可以從白洞出來。而最新的觀點認為，是大量彼此糾纏的量子之間的「通道」創造了蟲洞，也創造了由蟲洞相連的白洞和黑洞——理論物理學家的世界，真難懂。

參考資料：

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole

[2] http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/02/06/how-can-we-see-black-holes/

[5] https://www.scientificamerican.com/article/ligo-discoveries-will-help-scientists-run-stellar-autopsies-on-colliding-black-holes/

[6] 量子糾纏創造了蟲洞，《環球科學》2017年1月刊