神秘的黑洞，是什么驅(qū)使科學(xué)家們窮追不舍？有什么新發(fā)現(xiàn)？

該圖顯示了一個(gè)黑洞在其上方和下方發(fā)射快速移動的等離子體射流，物質(zhì)在軌道盤中旋轉(zhuǎn)。圖源：美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心。

研究黑洞的科學(xué)家可以放心，他們研究的領(lǐng)域?qū)⒛陱?fù)一年地誕生令人驚奇、同時(shí)令人費(fèi)解的新發(fā)現(xiàn)。不出所料，2021年，人們對這些奇怪的“引力野獸”有了許多新發(fā)現(xiàn)。

高速旋轉(zhuǎn)的黑洞

即使是被研究得最好的黑洞也會產(chǎn)生新的驚喜。在二月，物理學(xué)家修訂了他們對位于天鵝座X-1星系中心的宇宙怪物的屬性估計(jì)，這恰好也是第一個(gè)被證實(shí)存在的黑洞。這個(gè)黑洞最初被發(fā)現(xiàn)于60年前，2021年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，天鵝座X-1黑洞的質(zhì)量比先前所想的多50%，這將是太陽質(zhì)量的21倍。它旋轉(zhuǎn)的速度非常接近光速，創(chuàng)造了黑洞自轉(zhuǎn)速度的新紀(jì)錄。這個(gè)天鵝座X-1里的黑洞位于7200光年外，并且它在緩慢地吞噬一個(gè)藍(lán)超巨星伴星，這給研究者關(guān)于這一過程帶來了新的理解。

“意大利面化”的恒星

當(dāng)一顆恒星漫步到黑洞邊緣，它會被引力拉成一股股的線，然后被吸入黑洞的嘴里。這個(gè)過程被稱為“拉面效應(yīng)”，恒星物質(zhì)通過摩擦升溫并發(fā)光，這讓天文學(xué)家們有機(jī)會在它的光芒里捕捉到這種可怕的行為。在五月，研究者們第一次捕捉到一顆恒星以這種方式被一個(gè)位于銀河系中心距離地球7.5億光年的質(zhì)量是太陽的3000萬倍的黑洞撕碎和吞噬。除了收集關(guān)于拉面效應(yīng)的重要數(shù)據(jù)，天文臺們幫助科學(xué)家創(chuàng)造了難以置信的可視化恒星攝取途徑。

激光干涉引力波天文臺（LIGO）證明霍金的猜想是正確的

電腦模擬出了兩個(gè)黑洞相互螺旋時(shí)發(fā)出的引力波。（圖源：C. Henze/NASA Ames Research Center）

六月，研究者們用激光干涉引力波天文臺觀測到兩個(gè)巨大的黑洞合并為一個(gè)整體，并分析了黑洞在圍繞對方高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的時(shí)空結(jié)構(gòu)中的漣漪——引力波。他們發(fā)現(xiàn)，最終合成的黑洞比原來的兩個(gè)黑洞的總和還要大。除了提供驚人的數(shù)據(jù)外，這些發(fā)現(xiàn)還有助于證明英國物理學(xué)家史蒂芬·霍金提出的被稱為“黑洞面積定理”的猜想?；艚鹪谠摱ɡ碇兄赋?，黑洞的表面積是不可能隨著時(shí)間推移而減小的。這是霍金根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論和他對熵的理解得出的定律。雖然這個(gè)結(jié)果宣告了霍金的勝利，但它也讓物理學(xué)家們頭疼不已。根據(jù)量子力學(xué)，黑洞應(yīng)該可以收縮和蒸發(fā)，因此尚不明確如何將表面積增加的事實(shí)與霍金的理論相匹配。

黑洞與中子星合并

激光干涉引力波天文臺在六月公布了一系列關(guān)于黑洞的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)與該設(shè)施合作的研究者宣布，他們第一次確信他們觀測到了黑洞與中子星的合并。與黑洞一樣，中子星也是恒星死亡后的一種歸宿——如果恒星作為超新星爆炸并留下殘留物，它最終會演化成為中子星。雖然激光干涉引力波天文臺先前已經(jīng)看到了黑洞和中子星合并的潛在跡象，但直到今年，兩個(gè)心發(fā)現(xiàn)才證明了這樣的合并現(xiàn)象確實(shí)存在。兩次探測都發(fā)生在2020年一月，大約相隔十天。第一次，一個(gè)大約六倍太陽質(zhì)量的黑洞吞噬了一顆1.5倍太陽質(zhì)量的中子星，而第二次，一個(gè)約九倍太陽質(zhì)量的黑洞和一顆兩倍太陽質(zhì)量的中子星合并了。

早期黑洞卷起風(fēng)暴

位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動的銀河風(fēng)的藝術(shù)概念圖。黑洞爆發(fā)的巨大能量產(chǎn)生巨大的氣體流，將星際物質(zhì)吹走。這些星際物質(zhì)是形成恒星的材料。（圖源：阿爾瑪(ESO/NAOJ/NRAO)）

幾乎每一個(gè)已知星系的中心都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，這也許說明這兩者之間有著緊密的聯(lián)系。但科學(xué)家們?nèi)匀徊焕斫夂诙慈绾斡绊懰男窍邓拗?。六月發(fā)表的研究展現(xiàn)了從1300萬歲的星系吹出的高速風(fēng)，這個(gè)星系幾乎和宇宙一樣老。這是最早被探測到的星系風(fēng)的例子，這些風(fēng)是超大質(zhì)量黑洞吞噬周圍的云氣和星際塵埃后迸發(fā)的。不僅如此，這些強(qiáng)力星系風(fēng)的速度非?？?，高達(dá)180萬公里每小時(shí)，使它足以推動整個(gè)星系的物質(zhì)，這可能阻礙恒星的形成。這些事實(shí)都表明，星系和他們其中的黑洞有十分緊密的聯(lián)系，并且從很久以前開始就存在了。

微弱的光回波證明愛因斯坦是對的

史蒂夫霍金不是今年唯一獲得黑洞勝利的人。七月，天文學(xué)家們捕捉到從一個(gè)叫做茲維克的螺旋星系的中心超大質(zhì)量黑洞爆發(fā)的X射線。研究者們不僅在黑洞前探測到了光線，還設(shè)法解釋了奇怪的光回波的成因。實(shí)際上，這些光回聲來自于黑洞的背面，這意味著巨大的實(shí)體扭曲了時(shí)空結(jié)構(gòu)，所以這些光纖得以被從黑洞的一段拉到另一端。這個(gè)過程正是愛因斯坦的廣義相對論所預(yù)測的，但直到現(xiàn)在，還沒有找到可以支撐它的證據(jù)。

外星人可能正在使用黑洞的能量

戴森球的概念圖。（圖源：Marc Ward/Stocktrek Images/Getty）

科學(xué)家們并沒有高高在上，只要他們的猜想得到相關(guān)數(shù)據(jù)的支持。八月，一個(gè)臺灣的天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)表示，有智慧的外星人可能正在利用被稱為戴森球的假想巨型結(jié)構(gòu)中汲取能量，這個(gè)結(jié)構(gòu)環(huán)繞著一顆恒星。盡管黑洞被認(rèn)為是漆黑的，但黑洞在吞噬其周圍物質(zhì)的過程中會釋放大量能量，這些能量使物質(zhì)加熱，并以光的形式輻射。天文學(xué)家們尚不確定外星人們是否會在黑洞邊緣放置涂有類似太陽能電池板的軌道平臺，以吸收它的能量。黑洞比其他恒星小，這讓外星人可以節(jié)約建筑材料，還能讓它們收集到大量能量。

游蕩的黑洞可能定居銀河系

流浪黑洞可能占宇宙中黑洞總質(zhì)量的百分之十。（圖源：）

大約有十二個(gè)巨大的隱形黑洞可能潛伏在銀河系外圍。八月份，研究員們發(fā)布了新的星系碰撞結(jié)果。在這些意義非凡的時(shí)間中，引力可以使質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬倍甚至數(shù)十億倍的超大質(zhì)量黑洞飛行，并在宇宙的深處漫步。其中一些可能隨后將定居在銀河系的星盤里，就像我們?nèi)祟愐粯?。一個(gè)銀河系大小的星系平均可以容納大約12個(gè)超大質(zhì)量黑洞。天文學(xué)家們希望找到尋找這些迷失的黑洞的方法，以驗(yàn)證他們的模擬是否正確。

發(fā)現(xiàn)的離我們最近的黑洞對

這張圖像展現(xiàn)了NGC7727中的兩個(gè)明亮星系核的特寫（左）和整體圖（右），距離地球8900萬光年。每一個(gè)星系核都是其中心超大質(zhì)量黑洞的家。（圖源：Image credit: ESO/Voggel et al.; ESO/VST ATLAS team. Acknowledgement: Durham University/CASU/WFAU）

十二月，望遠(yuǎn)鏡捕捉到了離地球最近的一對黑洞的跡象，它們在距離地球約8900萬光年的寶瓶座中圍繞對方旋轉(zhuǎn)。此前發(fā)現(xiàn)距離我們最近的黑洞比它們遠(yuǎn)五倍，這意味著科學(xué)家們有機(jī)會比以前更深入詳細(xì)地研究黑洞系統(tǒng)。這兩位都是“重量級人物”——較大的一個(gè)質(zhì)量將近1.54億個(gè)太陽，小的也有630萬倍太陽質(zhì)量。它們僅相隔1600光年互相繞行，站在宇宙的角度上來看，這點(diǎn)距離微不足道，創(chuàng)下了一項(xiàng)紀(jì)錄，這表明它們在2.5億年后將會合并成一個(gè)巨大的黑洞。

一個(gè)對于它的宿主星系來說太大的黑洞

獅子座Ⅰ矮星系中心有一個(gè)巨大的黑洞。（圖源：ESA/Gaia/DPAC; SDSS (inset)）

一個(gè)大約距我們82萬光年的小星系圍繞著銀河系運(yùn)行，它似乎包含一個(gè)奇怪的東西。比銀河系笑50倍的獅子座Ⅰ矮星系擁有一個(gè)尺寸過大的黑洞，它的質(zhì)量幾乎與銀河系中心的黑洞相同。天文學(xué)家對如此大的黑洞駐留在這樣一個(gè)小星系里感到困惑。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校天文學(xué)博士畢業(yè)生瑪麗亞·何塞·布斯塔曼特在一份聲明中表示：“對于矮球狀星系中的這種黑洞為何能留在星系中，沒有任何解釋。”確切地找到這對黑洞和星系演化都有什么意義，可能還需要等待許多年。

BY: Adam Mann

FY: Ludwig_XU

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