星空万象

日前，美国斯坦福大学的天体物理学家们使用欧洲空天局的XMM-Newton和美国宇航局的NuSTAR太空望远镜观察到了一个黑洞背后的光线。这是科学家们第一次直接观察到来自黑洞背后的光，或许将让我们对黑洞的了解更上一层楼。黑洞是宇宙中最“不可思议的天体”之一，自发现以来，就是天文学家、物理学家们研究的焦点。但它的秘密，我们仍未全部揭开。

来源：视觉中国

黑洞是什么？

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一。早在18世纪，英国的米切尔和法国的拉普拉斯就从牛顿力学出发，进行了理论预言：宇宙中也许存在一种看不见的“暗星”，它的质量与半径之比太大，以至于其表面的逃逸速度超过光速，导致它发出的光线无法逃出它的表面。

1915年，在爱因斯坦发表广义相对论后不久，德国的史瓦西就从爱因斯坦引力场方程得到了静态的史瓦西解，按照其理论预言，我们无法从外面得知某一临界半径（即视界）内的任何信息。这一视界内的特殊时空区域后来被命名为“黑洞”。

那么，宇宙中是否真的存在理论预言的黑洞？在哪里能找到黑洞？它们的质量又有多大呢？

20世纪建立的恒星演化理论告诉我们，宇宙中质量超过25倍太阳质量的大质量恒星在死亡之前会产生剧烈的超新星爆发，其遗留物很可能形成质量在几倍到几十倍太阳质量的恒星级黑洞。银河系里有千亿颗恒星，但目前，科学家们在银河系里只找到几十个恒星级黑洞，大批恒星级黑洞还等待我们去发现。而银河系只是星系家族的普通一员，银河系外还存在大量星系，宇宙中黑洞的数量远比我们目前观测到的要多很多。

赛弗特星系和类星体

那么，有没有比恒星级黑洞重很多的黑洞？它们会出现在什么样的星系中？又会在星系中的什么位置呢？在回答这些问题之前，我们先介绍一下什么是赛弗特星系和类星体。

我们知道，星系是组成宇宙的基本单元，恒星和气体是组成星系的主要成分。1943年，美国天文学家赛弗特注意到有些星系的中心区域特别明亮，他首次拍摄了这些星系核心的光谱，发现光谱中有很强且宽的发射线，完全不同于恒星光谱，这类星系后来被称为“赛弗特星系”。1959年，美国天文学家沃尔特指出，这些赛弗特星系产生宽发射线的核心区域，一定存在强引力场，此区域内物质的质量估计约在一亿倍太阳质量以上。那么，问题来了：这些产生强引力的物质会是什么呢？

20世纪50年代，雷达探测技术被用于天文学研究，这极大地推动了观测能力的提高。英国剑桥大学的射电天文学家把所发现的几百个宇宙射电源汇编成表，科学家们都在猜测，这些射电源到底是什么天体？利用光学望远镜寻找这些射电源的光学对应体成为当时非常重要的一项工作。在持续的研究中，科学家们发现，一些射电源具有相似的光学性质，他们把这些“类星射电源”称为类星体。类星体其实位于遥远星系的核心，其光谱与赛弗特星系很类似，只是谱线的红移更大，距离更远，辐射的能量更强。那么，问题又来了：这些类星体巨大的能量来源不可能是普通恒星中的热核反应，究竟是来源于什么物理机制呢？

超大质量黑洞吸积模型

1964年，苏联科学家泽尔多维奇和美国科学家萨尔皮特在类星体发现不久就独立提出超大质量黑洞（质量超过百万倍太阳质量）可能存在于星系的中心，这些“怪兽”级的黑洞不断吸积周围气体而释放出巨大能量，从而形成了类星体。这一大胆的解释奠定了类星体的物理基础。

也正是类星体能源问题的讨论，促使英国数学物理学家彭罗斯在1965年重新考虑大质量天体引力塌缩形成奇点的问题——他利用广义相对论证明黑洞奇点的形成是不可避免的，对黑洞形成理论作出了重要贡献，也因此获得2020年诺贝尔物理学奖。

1969年，英国科学家林登贝尔提出围绕黑洞运动的吸积盘概念并计算了黑洞吸积的辐射强度，进一步确认类星体巨大能量的来源是被超大质量黑洞所吸积的物质释放出来的引力能。随着1973年苏联科学家夏库拉和桑雅耶夫以及1974年美国科学家佩吉和索恩建立了标准吸积盘模型，最终超大质量黑洞吸积模型成了类星体和赛弗特星系等活动星系核能源机制的标准模型。

除了类星体和赛弗特星系等辐射能量巨大的活动星系的中心存在超大质量黑洞外，正常星系的中心是否也存在超大质量黑洞呢？1969年，林登贝尔指出一旦类星体中心的黑洞周围没有物质可以被黑洞吸积时，它们就会变成“死亡”的类星体，成为不活跃的正常星系。因此，许多正常星系中心也都会存在质量高达百万到几十亿倍太阳质量的超大质量黑洞。1971年林登贝尔和瑞斯还论证了银河系中心应存在一个超大质量黑洞，并提出利用射电波段的甚长基线干涉技术应能确定银河系中心黑洞的大小。

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