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本文參加#科普新星培訓營#，內容為作者原創。 一說到黑洞，各位首先想到的是什麼？只能進不能出？吃人不吐骨頭？出於博眼球的原因，有些文章把黑洞描寫的極為可怕，再加上人們對未知的恐懼，黑洞被塑造成一個徹頭徹尾的「惡魔」。然而事實果真如此嗎？絕對不是，人馬君要為黑洞正名，還它一個清白！ ...黑洞的動畫模擬 黑洞的前世今生 要正名，首先得知道黑洞是怎麼來的，這個問題在網上已經有足夠多的資料，人馬君就不詳細贅述了，只簡單梳理了一下黑洞的「黑歷史」： 暗星時代：1783年和1796年，約翰·米歇爾和拉普拉斯根據經典力學，分別預言了可能存在「暗星」，即引力強到連光都無法逃脫的星體，這時的光還被認為是純粹的粒子； 理論基礎：1915年底，「科學教父」愛因斯坦提出了著名的廣義相對論，指出引力造成了空間的彎曲，並給出了廣義相對論引力場方程； 方程的「精確解」：令愛因斯坦沒想到的是，他的方程僅幾個月後就被趴在一戰戰壕中的史瓦西解出，預言出了真正能夠束縛住光的「暗星」，他得到的方程精確解實際是指無自轉的黑洞；1963年，克爾得到了有自轉黑洞的精確解； 原子彈之父的「副業」：奧本海默和他的學生計算出了黑洞的質量下限——3.2個太陽質量； 「黑洞」定名：1968年，約翰·惠勒將「暗星」定名為黑洞並推廣； 黑洞蒸發：1974年，霍金提出」霍金輻射「理論，發現黑洞也會蒸發，不是只進不出； 終見真容：2019年4月10日，事件視界望遠鏡的第一張黑洞照片問世，世人終於見到黑洞的真面目。 ...人類首張黑洞照片 黑洞的類型和特點 宇宙中的黑洞相當的多，並且有著很大的區別，如果按個頭或者說質量大小，可分為以下幾種： 超大質量黑洞：超過10萬個太陽質量，位於星系或類星體的中心，很可能是宇宙大爆炸之後，在物質密度比較高的區域直接形成； 中等質量黑洞：100至10萬個太陽質量，發現的很少，可能是由恆星級黑洞成長而成，也可能像超大質量黑洞那樣直接形成； 恆星級黑洞：100倍太陽質量以下的黑洞，由大質量恆星在引力坍縮後形成，這樣的黑洞數量最多； 微小黑洞：質量與地球相當甚至更小的黑洞，僅可能在大爆炸初期直接形成，但由於霍金輻射，會比較快的蒸發掉。 ...黑洞導致光線彎曲 實際上，黑洞除了質量大小外，還有兩個特性：角動量和電荷。根據自轉與否和帶不帶電，還可以分成四類：不自轉不帶電（史瓦西黑洞），帶電不自轉（R-N黑洞），自轉不帶電（克爾黑洞），既自轉又帶電（克爾-紐曼黑洞）。 黑洞造就了星系和恆星 也許你會認為黑洞是恆星和生命的毀滅者，因為有大量觀測表明黑洞正在撕裂鄰近恆星，吞噬周圍的氣體，仿佛長著一張血盆大口一樣。殊不知，在宇宙演化的早期形成的超大質量黑洞，卻扮演著星系締造者的角色。 ...仙女座星系M31 天文學家發現，在每一個較大星系的中心，幾乎都有一個超大質量黑洞。仙女座星系如此，我們所在的銀河系也不例外，這顯然不是巧合。銀河系中心的黑洞被命名為人馬座A*（嘿嘿，知道人馬君這個ID是怎麼來的了吧），質量大約是太陽的430萬倍，雖然在地球上看不見，但我們可以通過周圍天體的運動來感受到它的威力。 ...銀河系中心附近天體的運動軌跡 實際上，這些超大質量黑洞正是星系形成的關鍵！長期以來，對於超大質量黑洞和星系是如何形成的，一直存在爭議，主要有兩種說法： 一種說法是在宇宙大爆炸後比較短的時間內，由於密度漲落，在物質比較密集的地方直接形成了大大小小的黑洞。比較微小的黑洞由於霍金輻射會迅速蒸發，而大黑洞則會因為不斷吞噬周圍豐富的物質而迅速長大。與此同時，它用巨大的引力將物質吸引在周圍旋轉，這些物質後來形成了恆星。而鄰近的恆星和物質的引力又會吸引外側更大區域的物質，最終形成了以黑洞為中心的星系。 ...宇宙的絲狀結構 另一種說法是黑洞晚於恆星形成。宇宙中密度較高的區域首先形成了第一批恆星。其中的大質量恆星衰亡之後，坍縮為第一批黑洞。這些恆星級黑洞通過吞噬物質而長大，同時不斷融合，形成了超大質量黑洞。而黑洞同樣將大量的物質吸引在它的周圍，構成星系的種子。 ...黑洞吞噬物質 不管哪種說法，都不能掩蓋黑洞在星系形成中的作用，以及黑洞與星系之間的密切關係。星系形成之後，物質密度和引力擾動比在星系外的空間更高，促進了星雲中恆星的孕育，包括我們的太陽。從這個角度來說，人類的出現，也與黑洞有著密不可分的關係。 黑洞是星系的調節器 在銀河系和仙女座星系，中心黑洞是寧靜的，我們甚至無法直接觀察到它們的存在。而在另外一些星系，中心黑洞處於活躍狀態，它們不斷吞噬著星系內的氣體，並從兩極將氣體泵出，釋放出巨大的能量。類星體正是典型的活躍星系核。 ...活躍的星系核：類星體 這種機制使得黑洞對星系內的氣體密度有著巨大的影響，而氣體密度與恆星的形成息息相關，因此黑洞實際上扮演了星系調節器的角色，控制著星系內的恆星形成速度。 黑洞會吞噬一切嗎？不可能的事兒 人們對黑洞的恐懼，有很大一部分源於對黑洞吞噬世界的擔心：也許有一天，地球會被黑洞吃掉，甚至整個宇宙也會被黑洞徹底吞沒，歸於黑暗。這種擔心全然沒有必要，原因有二： 第一，雖然宇宙中存在許多超大質量黑洞，例如TON 618，達到660億倍太陽質量，但是，宇宙是在膨脹的，而且膨脹速度遠遠大於黑洞靠引力拉近物質的速度。具體到我們所在的本星系群，雖然附近的幾十個星系在引力作用下相互靠近，最終可能形成一個巨橢圓星系，但是在更大尺度的空間內，我們距離其它的星系群越來越遠.因此，沒有哪個超大質量黑洞能把宇宙全部吞掉！ ...宇宙膨脹 第二，即使是星系的範圍內，中心黑洞也不可能全部吃掉所在的星系。由於星系內大量的恆星距離中心黑洞都非常的遙遠，並且都有一定的運行速度，會保持繞星系中心旋轉的狀態，不會向中心跌落。即使根據引力波理論，二體系統的能量會因為輻射引力波而衰減，最終導致二體碰撞，但這一過程非常漫長，可能要比宇宙目前的年齡還要大許多許多倍.再加上黑洞自己還會蒸發，所以，我們完全不用擔心。實際上，星系中的天體數量如此巨大，並不是簡單的二體運動，有大量的恆星會因為彼此間的相互作用而被向外拋離，甚至成為流浪恆星，從這個角度來看，黑洞更不可能把恆星全部吃掉。 ...黑洞吞噬鄰近恆星 具體到我們的太陽系，它與銀心黑洞的距離實在是太遠了，在可預見的將來，不存在被銀心黑洞吞噬的任何可能。但太陽會不會遭遇附近的更小的黑洞呢？也不可能，如果這個黑洞是微小黑洞的話，會在極短時間內蒸發殆盡。而大質量恆星形成的恆星級黑洞，離太陽的最近距離最少也有幾光年（實際上幾光年內沒有任何較大黑洞存在的跡象），這麼遠的距離，黑洞只能欺負欺負伴星，對太陽實在是鞭長莫及啊！ 黑洞中奇妙的「時空隧道」和「裸奇異」 從黑洞被預言的過程就可以發現，黑洞的存在，是數學和物理規律的必然結果。黑洞是一個奇點（對於非史瓦西黑洞，可能是一個奇環）。在數學上，奇點是客觀存在的，是自然界一種很平常的現象。而物理學天生討厭奇點，因為這會造成很多不可預知的奇特現象， 比較典型的例子就是「時空隧道」和「裸奇異」：真正的黑洞專家彭羅斯研究各類非史瓦西黑洞時，發現這些黑洞的內部時空很特別，它的奇點（或奇環）與時間走向平行，被稱為類時奇點（或奇環）。在克爾-紐曼黑洞中，光和質點的世界線有可能穿過奇環區域，進入另一個時空！在數學上，這個「荒謬」的時空隧道是有可能存在的！ ...時空隧道（想像圖） 另一種情況更令物理學家頭大：在增加非史瓦西黑洞的角動量或電荷時，黑洞的單向膜區（事件視界內部）可能會變薄甚至消失，奇點或奇環會裸露在外。「裸奇異」是科學家根本不能接受的，它會造成無法解釋的現象，比如前一秒還好好的，後一秒突然被奇點吞噬，甚至還會導致因果論的崩潰…… ...裸奇點的出現，引自《看不見的星：黑洞與時間之河》 彭羅斯無奈之下，提出了一個「宇宙監督假設」，假設宇宙中存在一個監督官，不允許裸奇異的出現。而對於討厭的時空隧道，宇宙監督假設表現為「類時奇異性不穩定」，當光或質點進入黑洞時，會造成擾動，破壞類時奇點，阻斷時空隧道。 黑洞是不是很奇妙？人馬君覺得，對黑洞的研究使我們對世界的認識更加深刻，從這個角度來看，黑洞的功勞大大滴！ 寫在最後 以上，人馬君與大家分享了關於黑洞的種種。各位看過之後，對黑洞的印象有沒有改觀呢？從本質上來看，黑洞是現實世界的一種自然狀態，與人類的好惡無關。它是宇宙中的一個關鍵的基本要素，從某種程度上說，它的地位甚至比星系和恆星還要高呢！
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