黑洞又不發光，我們怎麼知道它存在？

銀河系中心超大質量黑洞「人馬座A*」周邊。NASA / UMass / D.Wang等 / STScI

如果這個黑洞離我們足夠近，近到我們可以解析出它周圍的恆星，那麼我們就可以通過觀察這些恆星的運動狀態，來推算出它的存在。

比如在我們銀河系的中心，許多恆星圍繞著一個不發光的質點運行。這個質點所對應的，就是一個超大質量黑洞。

但是如果黑洞離我們不夠近，那麼我們也能夠通過一些特定的現象，來發現它。

黑洞的引力極其強大，從它身邊經過的很多天體，都會被它撕成碎片。而黑洞除了有強大的引力場，還有一個強大的磁場。離它的視界越近，磁場就越強。因此當帶電粒子加速穿越它的磁場時，會獲得越來越大的能量，併產生輻射。

藝術家在哈勃照片上疊加描繪的星系中心超大質量黑洞噴流。這個星系是Arp 220。NASA / JPL-Caltech

這些輻射多半是X射線。而在黑洞的兩極，還會產生巨大的噴流。這些現象的存在，表明那裡正有一個黑洞，正在大肆吞食宇宙間的物質。

而根據X射線的強度，我們可以推算出黑洞的質量。

這樣的黑洞被認為是「活躍」的黑洞。如果黑洞不夠「活躍」，那麼我們也有辦法獲知它的存在。

藝術家描繪的黑洞積吸盤與雙極噴流。NASA / ESA / Martin Kornmesser (ESA / Hubble)

首先，幾乎所有黑洞周圍都有積吸盤。這個積吸盤會發出昏暗的紅光。而且由於積吸盤物質運動的速度是由外向內逐漸遞增的，因此如果我們可以看到它，就會發現它的顏色由外向內會逐漸從紅色向紫色過渡，如同「彩虹」一般。

所以只要黑洞存在著積吸盤，我們就有機會看到它。

但是在宇宙中，還有一些黑洞處於完全的「休眠」狀態。它們既沒有吞食物質，也沒有積吸盤。要感知它們的存在，我們是否只有依靠引力測算的方法了呢？

也不盡然。

藝術家描繪的雙黑洞。NASA / ESA / G. Bacon (STScI)

也許我們可以通過引力波來感知黑洞的存在。LIGO在今年初就感知到了兩個黑洞合并產生的引力波。但這隻有當黑洞發生合并這種極端現象時，才有可能產生足夠強的引力波並被人們俘獲。

還有一種方法是感知霍金輻射。

量子力學認為，所謂的真空，是正-反粒子對在瞬間的出現和湮滅。而在黑洞邊界處，這些粒子對中的一個會墜入黑洞，另一個則會向外界逃逸，並使黑洞損失質量。這就是所謂的「霍金輻射」。

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霍金輻射模擬。BBC

理論上，我們可以測量霍金輻射的溫度，進而感知黑洞的存在。但即便是銀河系中心的超大質量黑洞，其霍金輻射的溫度也只有10^(–15)K。這麼低的溫度會被徹底地淹沒在宇宙微波背景里。

不過隨著黑洞的蒸發，霍金輻射的溫度會逐漸升高。一個黑洞完全蒸發需要大約10^100年。在理論上，當黑洞徹底蒸發的那一刻，會發出一道強烈的閃光，釋放出大致相當於一個核彈爆炸的能量！因此如果我們可以在宇宙中觀察到這樣的閃光，也就等同於獲知了一個黑洞的存在。（理論上如此，實際上還從未觀察到過。當前宇宙的年齡還不足以讓任何一個黑洞徹底蒸發。）

總結一下，當今的天文學家，大多是通過引力效應和X射線輻射來感知黑洞；在不久的將來，如果望遠鏡的解析力大大提高，我們還可以直接觀察積吸盤來感知黑洞。

我們可以通過探測引力波，來感知發生合并的黑洞；而如果有一天，如果人類的科技發達到可以感知霍金輻射，那我們就又會多一種感知黑洞的方法。

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