发现
黑洞
年10月6日，英国人罗杰·彭罗斯、德国人赖因哈德·根策尔和美国人安德烈娅·盖兹因在黑洞研究中做出的贡献而被授予年诺贝尔物理学奖。这是诺贝尔奖对黑洞理论的肯定，黑洞已成为当今理论物理学和天体物理学最大的热点之一，其实也许你不知道，人类探索发现黑洞的过程却是漫长而曲折的。
先知早就预言了黑洞
工业革命初期的时代
让我们从遥远的18世纪说起，早在18世纪末，就已经有两个先知预言了黑洞的存在。这两个先知就是英国物理学家约翰·米歇尔和法国数学家拉普拉斯。
当时的科学家们大都相信牛顿的光粒子学说，这个学说认为光是由光源以极高的速度发出来的粒子组成的。年，英国科学家约翰·米歇尔假定光粒子也像其他物体一样受到引力的作用，他进行了一个论证：“有可能存在比太阳质量更大的恒星，其逃逸速度超过了光速，因此任何光都可以被这些恒星的引力拖拽回去，在那种情况下，连光线都看不到，米歇尔将这种情况叫做“暗星”，除此之外，大数学家拉普拉斯在他的书中也指出了存在暗星的可能性。
为了解释清楚暗星理论，我们必须引进“逃逸速度”这个概念。让我们先从一个简单的实验开始说起，如果你站在一座高楼的楼顶，沿水平方向扔出一块石头，过一段时间以后，这块石头就会落回地面。然后，你越发用力地扔石头。随着这块石头的初速度不断增大，它落回地面的时间也会越来越晚。如果你给这块石头的初速度超过了7.9km/s，它就不会再落地了，而会像地球卫星一样绕着地球旋转。如果你继续提高石头的初速度，当这个初速度超过了11.2km/s，它就可以挣脱地球引力的束缚并离地球而去，这个初速度就是地球表面的逃逸速度。
一个天体表面的逃逸速度，只取决于这个天体的质量和半径。如果天体的半径固定不变，其表面的逃逸速度会随着天体质量的增大而增大；反之，如果天体的质量固定不变，其表面的逃逸速度会随着半径的减小而增大。
随着一个天体质量的不断增大，或者其半径的不断减小，天体表面的逃逸速度将会不断增大，如果这个逃逸速度超过了世界上最快的光速，就没有任何东西能从它的表面逃逸了。换句话说，就连光也会被此天体的引力束缚，而无法跑到远方。这样一来，我们就永远不可能看到这个天体发出的光。这个永远也看不到的天体，就是米歇尔和拉普拉斯所说的暗星。
暗星理论后来由于光的波动说的提出被打入冷宫，而让它重见天日的是德国著名天文学家史瓦西。
年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，这个理论阐明了强引力场中的时空性质以及物体运动的情况。
爱因斯坦引力场方程
广义相对论有一个最核心的方程，叫做爱因斯坦引力场方程，此方程非常复杂，连爱因斯坦本人都无法找到它的精确解，但德国天文学家史瓦西在很快的时间内就找到了爱因斯坦引力场方程的一个精确解，那就是著名的史瓦西解。
史瓦西解描述了一个有质量、无转动、无电荷的球对称天体，在史瓦西模型中，中心是时空被无限弯曲，密度无限大的奇点。它的形成使时空被事件视界分成隔离的两部分，物质和光可以从视界外进入视界内，但反过来就不行。视界内的引力很强，以至于连光都无法逃离。
基于史瓦西解，事件视界的大小取决于这个天体的重要参数——质量。质量越大，视界半径就越大。一个质量和太阳一样的黑暗天体，史瓦西半径还不到3公里，而质量和地球一样的黑暗天体，史瓦西半径还不到0.9厘米。
卡尔·史瓦西
但是，史瓦西的理论在当时并没有得到科学界的认可，在此后的几十年时间里黑洞理论进展缓慢。
年，天文科学家钱德拉·塞卡指出，宇宙中的白矮星，一种有简并压维持着的致密天体，当它的质量超过约1.4倍太阳质量的话，就无法维持本身的形状，它将会坍缩成更致密的天体。这个发现，直接动摇了当时看似和谐的恒星世界的基石。
年，美国理论物理学家奥本海默等人通过研究，又进一步指出，当大质量天体演化末期，其坍塌核心的质量超过太阳质量的3.2倍时，由于没有能够对抗引力的斥力，核心坍塌将无限进行下去，从而形成黑洞。
年，著名的科学家克尔通过数学求解的方法，第一次得到了“带旋转黑洞的精确解”。不过再多的理论研究也抵不过实际的天文观测，人们仍然怀疑黑洞的存在，如果能找到一个真实的黑洞就好了，这个问题在年得到突破。
第一个黑洞是如何被发现的？
让我们先介绍一下科学家发现黑洞的方法。科学家们依靠观测恒星的运动来发现黑洞。举个例子，假如一个恒星围绕着宇宙中的某个“点”运动，科学家就会持续观察那个点，如果那个点是个黑洞，黑洞猛烈的引力就会抽走恒星的气体，将其撕碎、吞噬。然而，由于角动量守恒，气体不会直接陷入黑洞，必须围绕它运行一段时间，才会被吸进去。当气体绕圆盘轨道运行时，它的温度会上升到几百万度，这些气体物质在被黑洞吞噬的过程中会释放出大量的X射线。
所有这些活动都使黑洞成为宇宙中最明亮的天体，掩盖了它们中心区域的黑暗。
通常正是这种逃逸出来的X射线，显示出有黑洞存在的迹象。所以，当我们在空中探测到X射线源，可以通过X射线来寻找黑洞。
由于孤立的黑洞极难通过天文观测来搜寻，目前主要寻找的是双星系统中的黑洞。如果发出X射线的系统是一个双星系统，那么就可以证明其中一颗恒星是一个致密天体（中子星或黑洞）。如果致密天体的质量超过了上述提到的临界质量，就可以确定它是一个黑洞，以上便是发现黑洞的方式。
恒星大部分“两两相伴”，在彼此吸引下共同旋转，被称为双星。上图为双星系统开普勒—47想像图，图中发光的两颗为两颗恒星，而在其周围的是围绕双星旋转的行星。
现在让我们来看看第一个黑洞是怎样被发现的：年，一个很强的X射线源于天鹅座被发现，被命名为天鹅座X-1。年，科学家们又用X射线卫星做了进一步的观测，确认它是一个蓝超巨星，但很快的，人们就注意到了这个超蓝巨星的不同寻常之处。
像太阳这样没有伴星的单独的恒星，只会绕银河系中心旋转，而不会再做其他运动，但天鹅座X-1的这颗超蓝巨星不同。除了绕银河系中心旋转之外，它本身也在沿一个椭圆轨道不断打转，对这种现象的解释只有一个：这颗超蓝巨星还有一颗看不见的伴星。
不仅如此，通过研究天鹅座X-1这个超蓝巨星的运动轨迹，天文学家们惊讶地发现其伴星的质量应该在太阳质量的10倍以上，也就是说，天鹅座X-1双星系统中，存在一个完全看不见的，而且质量远远超过奥本海默极限的神秘天体。很自然地，人们就开始怀疑它到底是不是一个黑洞。
钱德拉X射线天文台拍摄的天鹅座X-1照片
到了20世纪90年代，天鹅座X-1是黑洞的证据变得越来越确凿，人们以相当高的精度测出，天鹅座X-1中的那颗不可见伴星的质量，能达到太阳质量的14.8倍。除了黑洞之外，根本无法解释质量如此之大的不可见天体的存在。这是宇宙中第一个被发现的黑洞。
黑洞理论的新发展
在发现了第一个黑洞以后，由于理论和观测的双重突破，使得黑洞研究领域迎来了它的黄金三十年，一大批天文学家、物理学家投身于这个领域，现在人们所知道的有关于黑洞的知识基本上都是这段时间内得到的。
图片来源《科学大家》
年，霍金进一步发现了所谓的霍金辐射，改变了之前经典广义相对论对于黑洞的认识。霍金辐射让我们知道，黑洞并不是只吃不吐的，事实上，黑洞也是会蒸发的，只不过这个速度很慢很慢，不仅如此，由于宇宙微波背景辐射的存在，因此，黑洞蒸发几乎是停滞的。
到了年，LIGO引力波探测器首次探测到了两个黑洞的合并。这两个黑洞都属于恒星级黑洞，其中一个黑洞大概是36个太阳质量，另一个黑洞大概有29个太阳质量，到了年，第二次观测到了黑洞合并事件。引力波观测黑洞合并成了科学家的重要手段。
到了年4月，科学家甚至已经对黑洞进行了成像，黑洞的研究迈上了新台阶。
黑洞，立此存照
到目前为止，科学家已经发现了非常多的黑洞，通过质量可以把它们分解为三类：
一类是恒星级黑洞，也就是说它的质量可以从3倍太阳质量到个太阳质量之间。
第二类称之为超大质量黑洞，它的质量起点是几十万倍太阳质量，或者上百万倍太阳质量，一直到几十亿倍甚至于上百亿倍的太阳质量。介于其中的这一类黑洞，称之为中等质量的黑洞，现在观测到的直接证据非常少，但是理论研究证明，它们应该是存在的，所以寻找中等质量黑洞也是目前研究的一个热门课题。
在银河系中，按照理论，还应该存在着上亿个恒星级的黑洞。但遗憾的是人类到目前为止仅仅探测到几十个，而且只有不到20个恒星级的黑洞有非常精确的质量测量，其他将近上亿个黑洞，现在并没有探测到。
为什么人们对黑洞如此关心呢？有人说，因为它像恐龙一样，那么大，又那么神秘，而且距离我们又是那么的遥远，所以人们对它们产生了强烈的好奇心。
黑洞，这个宇宙中最神奇的天体，它里面到底蕴含着多少秘密呢？如果您想了解更多有关黑洞的知识，欢迎大家来武汉科技馆。
《发现黑洞》展品位于武汉科技馆二楼的宇宙展厅
参考资料：1、《人类认知和发现黑洞的过程中有着怎样漫长而曲折的故事？》王爽
2、《年黑洞探索历史：人类到底发现了什么？》钟铭聊科学
3、《黑洞研究的历史》苟利军
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图片来源于互联网
撰稿：数字科技馆部黄静
编辑：数字科技馆部
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