科普知识～天体里的黑洞

文/潘长宏

2021.2.21.

当今世界，科技的快速发展令人欣慰，但仍未突破十七世纪三大定律圈子，那就是相对论，万有引力定律和智能化！在广博无垦的太空，有一种天体叫黑洞。

什么是黑洞？“黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体”！在相对论的框架下，宇宙空间内存在的一种天体。它有无比强大的引力，使得视界内的逃逸速度大于光速。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒于1968年命名为“黑洞”。早在1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解：”如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。”

令人无法想象的是，这黑洞人类不可以观测，只能通过其他方式来推算其存在的形态，大小和相关信息！比如可以借由物体被吸入之前的因高热而放出和γ射线的“边缘讯息”推测出黑洞的存在。还可以借观测恒星或星际云气团绕行轨迹取得位置以及质量。

2019年4月10日21时，人类首张黑洞照片面世，该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。爱因斯坦广义相对论被证明在极端条件下仍然成立。

黑洞是一个中心密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小的奇点和周围一部分天区，这个天区范围之内不可见。依据阿尔伯特-爱因斯坦的相对论，当一颗垂死恒星崩溃，它将聚集成一点，这里将成为黑洞，吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。它的产生过程类似于中子星。某一个恒星在准备灭亡，核心在自身重力的作用下迅速地收缩，塌陷，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星体，同时也压缩了内部的空间和时间。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的引力，使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。

前面说到连光速都难以逃脱黑洞的吞噬，大家可能不太明白这个意思！举个例子，宇宙飞船要摆脱地球的引力进入行星际空间，速度至少要达到11.2千米/秒，否则它就永远逃不出地球引力的控制。这11.2千米/秒的速度，就是任何物体从地球引力场中“逃逸”出去所需的最低速度，称为地球的“逃逸速度”。太阳的引力比地球引力强大得多，因此太阳的逃逸速度也要比地球的大得多，为618千米/秒。而黑洞对天体的逃逸速度达到了光速。“黑洞是广义相对论预言的一种特殊天体。它的基本特征是有一个封闭的边界，称为黑洞的'视界’；外界的物质和辐射可以进入视界，视界内的东西却不能逃逸到外面去。”正因为黑洞如此“只进不出、贪得无厌”，所以才有了一个不雅的外号：“太空中最自私的怪物”。