數百年來，物理學家壹直假設宇宙中應該存在黑洞。如果在足夠小的空間裏聚集了足夠多的物質，引力就會強大到宇宙中的粒子、反粒子甚至光都無法逃逸。它們是根據牛頓和愛因斯坦的引力理論預測的。天體物理學家通過觀測選擇了許多天體，它們被認為是潛在的黑洞。
但我們以前從未見過視界:這是黑洞的壹個獨特特征，壹個任何東西都無法逃離的黑暗區域。2019年4月10日，地平線望遠鏡合作項目將發布有史以來第壹張地平線圖像。在這個偉大發現的前夕，我們所知道的如下。
銀河系中心的黑洞和白色顯示的地平線的實際大小。黑暗的視覺範圍是地平線本身大小的250-300%。來源:希爾德斯海姆大學克勞斯物理教育集團尤特·克勞斯；背景:阿克塞爾·梅林格
黑洞是我們宇宙中速度極限存在的必然結果，至少在理論上是這樣。愛因斯坦的廣義相對論不僅將時空結構與宇宙中存在的物質和能量聯系起來，還包含了物質和能量在時空中如何運動的內在聯系。妳在空間移動的越快，時間的流動就越慢，反之亦然。
但空間中的運動與壹個常數有關:光速。在廣義相對論中，預測視界的物理大小，即沒有任何東西可以逃脫的區域的大小，是由黑洞的質量和光速決定的。如果光速更快或更慢，預測的視界尺寸將分別減小或增大。如果光速是無限的，那就根本沒有視界。
LIGO和處女座發現了新的黑洞群，它們的質量比之前X射線研究發現的黑洞質量(紫色)大得多。圖片顯示了Virgo處女座探測到的所有十個確認的黑洞合並(藍色)和觀測到的中子星之間的合並(橙色)。Virgo處女座，隨著敏感度的提高，從今年4月開始，每周應該會檢測到多個合並。資料來源:LIGO/處女座/西北大學/弗蘭克·埃拉夫斯基。
LIGO指的是激光幹涉引力波天文臺，即激光幹涉引力波天文臺。處女座是由6個國家的20個實驗室設計、建造和運營的引力波幹涉儀。
從天體物理學的角度來看，黑洞的形成是非常容易的。光是我們的星系就應該有上億個黑洞。目前我們認為黑洞的形成有三種機制，但可能更多。
1.大質量恒星的死亡，其核心比我們的太陽重得多，富含重元素，在其自身引力下坍縮。當向外的壓力不足以抵消向內的重力時，內核就會坍塌。由此產生的超新星爆炸將在其中心產生壹個黑洞。
哈勃望遠鏡拍攝的可見光/近紅外照片顯示，壹顆質量約為太陽25倍的大質量恒星幾乎在壹眨眼的時間內就消失了，但沒有產生超新星。直接崩潰是唯壹合理的解釋。資料來源:美國國家航空航天局/歐洲航天局/C. KOCHANEK(俄亥俄州立大學)
2.大量物質的直接坍縮，這些物質可能來自恒星或氣體雲。如果足夠多的物質同時存在於太空中的同壹個地方，就可以直接產生黑洞，而不會發生超新星或者類似的大災難。
3.兩顆中子星的碰撞，這是除了黑洞之外密度最大、質量最大的物體。如果通過吸積或(更常見的)合並給其中壹顆中子星增加足夠的重量，就會產生壹個黑洞。
兩顆合並中子星的想象。圖中的時空波紋代表碰撞釋放的引力波，這些窄束代表引力波釋放後幾秒鐘的伽馬射線噴流(即天文學家探測到的伽馬射線暴)。2017觀察到中子星合並導致黑洞形成。資料來源:國家科學基金會/LIGO/索諾瑪州立大學/a.simonnet
宇宙中已經形成的恒星，有0.1%多壹點，最終會變成這種形態的黑洞。其中壹些黑洞的質量只有太陽的幾倍；其他的可以是它的幾百倍甚至幾千倍。
但更多的大質量恒星會像那些超大質量天體壹樣，在穿過星系團、星系等質量的引力集合時:通過質量分層的天文過程，被吸進引力中心。當多個物體聚集在壹個引力勢阱中時，較輕的物體往往會獲得更多的動量，可能會被彈出，而較大的物體則會失去角動量，聚集在中心。在那裏，它們可以吸積物質，合並，生長，最終成為我們今天在星系中心發現的超大質量怪物。
另外，黑洞並不是孤立存在的，而是存在於空間本身的混沌環境中，其中充滿了各種類型的物質。當物質接近黑洞時，會受到引潮力的影響。任何物體靠近黑洞的部分都會比遠離黑洞的部分更有吸引力，兩側突出的部分會感受到朝向物體中心的壓縮。
總之，這會在壹個方向產生壹組拉力，在它的垂直方向產生壹組壓縮力，導致物體變得像意大利面壹樣。這個物體將被撕成它的組成粒子。因為大量的物理性質和力學在起作用，這就會導致物質在黑洞周圍聚集形成壹個圓盤:吸積盤。
圖片顯示的是壹個活躍的黑洞，它吸收物質並加速其中的壹部分，形成兩股垂直向外的噴流。這幅圖生動地描繪了類星體是如何工作的。落入黑洞的物質，無論其種類如何，都會導致黑洞的質量和大小額外增加。盡管有各種各樣的誤解，黑洞並沒有把物質吸到自己的視界裏，但是當物質接近視界到壹定程度，黑洞的視界就會擴大，把物質包含進去。資料來源:馬克·加利克
形成吸積盤的粒子星羅棋布，它們圍繞黑洞周圍的軌道運動。帶電粒子運動時會產生電磁場，電磁場反過來會加速帶電粒子。這將導致壹系列可觀察到的現象，包括:
發射的光子頻率遍布電磁頻譜，尤其是無線電頻率。
當物質落入黑洞時，耀斑會出現在產生的更高能量中(例如在X射線中)。
物質和反物質被加速形成垂直於吸積盤的噴流。
所有這些現象都是在不同質量和方向的黑洞上觀察到的，進壹步證實了它們的存在。
銀河系中心超大質量黑洞附近已經探測到大量恒星。除了我們已經發現的恒星、氣體和塵埃的意外，我們預計在人馬座A*的幾光年內會有超過65，438+00，000個黑洞，但在2065，438+08年初之前探測它們將非常困難。識別中央黑洞是只有視界望遠鏡才能完成的任務，它也可能探測到黑洞隨時間的運動。資料來源:S. Sakai/A. Ghez/W. M. Keck天文臺/加州大學洛杉磯分校星系中心小組
此外，我們還觀察了候選黑洞周圍的單個恒星和恒星碎片的運動。它們似乎圍繞著大質量物體運動，除了黑洞沒有其他解釋。例如，在銀河系的中心，我們觀察到許多恒星圍繞著壹個叫做人馬座A*的物體運行。估計它的質量相當於400萬個太陽，發出耀斑和無線電波。它還顯示了正電子(反物質的壹種形式)垂直噴射到銀道面上的特征。
其他黑洞也有很多相同的特征，比如M87星系中心的超大質量黑洞，估計相當於66億個太陽。
三張圖片顯示了M87星系的中心，這是地球上看到的第二大黑洞。雖然它的質量相當於66億個太陽，但它離我們的距離是人馬座A*的兩千倍。視覺望遠鏡可能無法證實，但如果宇宙足夠仁慈，我們不僅可以獲得它的圖像，還可以知道X射線發射是否可以為我們提供黑洞質量的準確預測。來源:上圖，視覺影像，哈勃太空望遠鏡/美國國家航空航天局/維基；下面左圖，射電圖像，國家射電天文臺/甚大射電望遠鏡陣列(VLA)；右下圖，X射線圖像，美國國家航空航天局/錢德拉X射線望遠鏡。
最後，我們看到了很多其他的觀測特征，比如直接探測到相互懸停並合並的黑洞產生的引力波，中子星的直接坍縮事件和合並，以及被認為是由不同質量和方向的黑洞引起的類星體、亮星和微類星體的亮度變化。
活動星系核的想象。吸積盤中心的超大質量黑洞向太空噴射出壹條窄窄的高能物質噴流，噴流垂直於吸積盤。40光年之外的壹個輝煌變種，發射出許多宇宙射線和能量最高的中微子。只有黑洞外的物質才能逃離黑洞；視界內的物質無法逃脫。資料來源:德國電子同步加速器研究所，科學交流實驗室。
地平線望遠鏡最大的進步就是觀測地平線本身。在那個地區不能觀察到任何物質或輻射。這臺望遠鏡應該觀察到黑洞固有的壹些微妙效應，包括最裏面的圓形軌道應該是事件視界大小的三倍，由於加速物質的存在，應該在事件視界周圍發出輻射。
黑洞視界的第壹張照片應該回答了很多問題。妳可以看到我們可以從中學到什麽。但最大的進步是，它將以壹種新的方式檢驗廣義相對論的預測。如果我們對引力的理解在接近黑洞時需要修正，這個觀察將為我們指明方向。
到目前為止，在2018年初，兩個模型可能成功匹配到地平線望遠鏡的數據。兩者都呈現出偏心不對稱的視界，大於史瓦西半徑，與愛因斯坦廣義相對論中的預言壹致。全圖尚未對外發布，但預計4月19發布。資料來源:r-s . LU等，天體物理學雜誌，第859卷。
數百年來，人類壹直期待黑洞的存在。在我們的生活中，我們收集了壹組證據，不僅證明了它們的存在，也證明了它們預期的理論性質與我們觀察到的驚人壹致。但也許最重要的預言，即關於視界存在和性質的預言，還沒有被直接證實。
在全球數百臺望遠鏡的實時觀測下，基於實際數據，科學家完成了從地球視角觀測到的最大黑洞的重建圖像:銀河系中心壹個質量為太陽400萬倍的龐然大物。我們在4月10日看到的，要麽進壹步證實廣義相對論，要麽顛覆我們對引力的理解。整個世界都充滿了期待。
超級泰迪熊
作者:伊桑·西格爾
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