2022年 黑洞讓我們驚訝了15次

過去一年中有關(guān)黑洞的發(fā)現(xiàn)依然喜人

（圖解：2022年黑洞的發(fā)現(xiàn)依然喜人。圖源：NASA/JPL-Caltech）

黑洞會對空間和時間造成巨大扭曲，那漆黑的外表使它們看起來十分神秘。然而，科學(xué)家們也在堅(jiān)持不懈地繼續(xù)推動他們對于這些深空星體的理解。

在過去的一年中，天文學(xué)家對宇宙中的黑洞有了新的見解。這篇文章里將會列出2022年黑洞讓我們驚訝的15次事件。

人馬座A*的首次亮相

（圖解：2022年5月12日，事件視界望遠(yuǎn)鏡發(fā)布了銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的圖像，這個龐然大物被稱作人馬座A*。圖源：事件視界望遠(yuǎn)鏡協(xié)作，CC BY-SA）

科學(xué)家們拍攝到了人馬座A*的第一張照片，這是位于銀河系中心的巨大黑洞。黑洞的邊緣有著不斷圍繞其旋轉(zhuǎn)的高溫氣體，這些高溫氣體會發(fā)射亞毫米波，事件視界望遠(yuǎn)鏡正是在亞毫米波的光線下得以拍攝到這張照片。

亞利桑那大學(xué)天體物理學(xué)家費(fèi)亞爾·厄澤爾（Feryal ?zel）在22年5月的國家科學(xué)基金會的新聞發(fā)布會上表示：“直到現(xiàn)在，我們還沒有圖片能直接證明這個位于銀河系中心的溫和巨星就是黑洞。這張照片只是顯示出了黑暗區(qū)域周圍的一個明亮環(huán)，以及其中心貌似是黑洞陰影的跡象?！?/p>

事件視界望遠(yuǎn)鏡于2019年首次登上頭條新聞，當(dāng)時它成功拍攝了有史以來第一張黑洞視界的圖像，特別是那張橢圓活動星系梅西葉87的核心的圖像。

事實(shí)證明，拍攝人馬座A*的照片將會更加困難，因?yàn)樵诘厍蚝腿笋R座A*之間27000光年的距離中，存在著大量的氣體和塵埃，它們會散射亞毫米波，使拍攝到的圖像非常模糊。此外，雖然M87的黑洞吞噬了大量氣體所以看起來很明亮，但到達(dá)人馬座A*上的物質(zhì)流強(qiáng)度要弱得多，這就使得它的光芒看起來更加微弱。

黑洞撕碎恒星

（圖解：天文學(xué)家在8.5億光年外的SDSS J152120.07+140410.5星系中發(fā)現(xiàn)了一顆被黑洞撕裂的恒星。研究人員用NASA的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對這場名為AT 2020neh的災(zāi)難進(jìn)行了觀測，即上方的圖片。哈勃望遠(yuǎn)鏡的紫外相機(jī)觀測到，在AT 2020neh發(fā)生的星系，圍繞其核心形成了一個星環(huán)。圖源：NASA, ESA, 瑞安·弗雷/加州大學(xué)圣克魯斯分校）

這個曾經(jīng)不為人知的黑洞將它附近的一顆恒星撕碎并吞噬，至此它向天文學(xué)家宣告了自己的存在。這次的劇烈破壞來自一個中等質(zhì)量的黑洞，它的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的10萬到100萬倍，位于距離地球8.5億光年的矮星系SDSS J152120.07+140410.5中。

本次災(zāi)難是一種被稱為潮汐瓦解事件（TDE）的現(xiàn)象，被命名為AT 2020neh。當(dāng)它爆發(fā)出足以短暫超過銀河系中所有恒星的總和那樣強(qiáng)大的輻射時，這種現(xiàn)象將會變得清晰可見。

天文學(xué)家此前曾嘗試通過TDE測算數(shù)百萬至數(shù)十億太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。然而，AT 2020neh是首次利用TDE幫助分析較小的中等質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。

離地球最近的黑洞

（圖解：這張圖片是藝術(shù)家對蓋亞BH1的描繪，這是一個位于距離地球僅1560光年的雙星系統(tǒng)中的黑洞。該系統(tǒng)還擁有一顆類太陽伴星。圖源：國際雙子座天文臺/美國國家科學(xué)基金會的國家光學(xué)紅外天文研究實(shí)驗(yàn)室/國家科學(xué)基金會/大學(xué)天文研究聯(lián)合組織/J.達(dá)席爾瓦/太空工程/M.扎馬尼）

科學(xué)家們公布了一個新發(fā)現(xiàn)的黑洞，該黑洞目前保持著“已知距離地球最近黑洞”的記錄。蓋亞BH1的質(zhì)量大約是太陽的10倍，它潛伏在距離我們星球1560光年的地方，約比前一個記錄保持者近了兩倍。

蓋亞BH1位于一個雙星系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的另一個成員是一顆類太陽恒星。這顆恒星和它的伴星黑洞的距離與地球和太陽的距離一樣遠(yuǎn)，這使得蓋亞BH1成為了一個非常特殊的黑洞。

增長最快的黑洞

（圖解：圖為一個被吸積盤包圍的黑洞。圖源：歐南臺，歐洲空間局/哈勃，M.康梅瑟）

天文學(xué)家探測到了有史以來增長最快的黑洞，它每秒都能吞噬掉一個地球。它將會是過去的90億年中增長最快的一個黑洞。

這個龐然大物目前的質(zhì)量是太陽的30億倍，比人馬座A*大500倍，是銀河系中心的一個超大質(zhì)量黑洞。它的視界內(nèi)足以容下整個太陽系，進(jìn)入這個邊界之后，任何東西都再也無法逃脫。

物質(zhì)沖刷著黑洞的表面，形成了星系中心一個異常明亮的類星體，它釋放大量能量，使這個類星體比銀河系中的所有恒星發(fā)出的光還要亮7000倍?？偠灾?，在宇宙138億年的歷史中三分之二的時間里，這個類星體（SMSS J1144477.77-430859.3）都是已知最亮的一顆。

澳大利亞國立大學(xué)（ANU）天文和天體物理研究學(xué)院的首席研究員克里斯托弗·翁肯（Christopher Onken）在一份聲明中表示：“現(xiàn)在，我們想知道為什么這個類星體與眾不同，它的身上是發(fā)生過什么災(zāi)難性的事件嗎？也許有兩個巨大的星系之間發(fā)生了碰撞，將大量的物質(zhì)注入了黑洞，從而導(dǎo)致了它的迅速增長?！?/p>

獨(dú)自流浪的黑洞

（圖解：NASA的這幅插圖描繪了太空中一個孤立的黑洞，他那巨大的引力使背景中的恒星和星系都發(fā)生了扭曲。圖源：NASA戈達(dá)德航天中心；背景，歐洲空間局/全天天體測量干涉儀/DPAC）

天文學(xué)家探測到了一個獨(dú)立的黑洞，其質(zhì)量相當(dāng)于一顆恒星。在NASA哈勃望遠(yuǎn)鏡的幫助下，科學(xué)家們在銀河系中心隆起的方向上，發(fā)現(xiàn)了這個距離地球約5150光年的天體。

巴爾的摩太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的天體物理學(xué)家凱拉什·薩胡（Kailash Sahu）是該研究的主要作者，他在接受太空網(wǎng)采訪時表示，銀河系中有一些質(zhì)量非常大的恒星，超過了太陽質(zhì)量的20倍，它們已經(jīng)大到足以產(chǎn)生黑洞，而這些恒星在每1000顆恒星中就大約有1顆。這表明在銀河系中，應(yīng)該有1億顆恒星質(zhì)量黑洞。

在此之前，我們探測到的所有恒星質(zhì)量黑洞都存在于有伴星的雙星系統(tǒng)中，例如中子星。然而，薩胡指出，銀河系中大部分的恒星質(zhì)量黑洞應(yīng)該是獨(dú)立存在的。

研究人員估計(jì)新發(fā)現(xiàn)的獨(dú)立黑洞的質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的7.1倍，速度約為10萬英里/小時（162000公里/小時），這表明這個黑洞可能是由產(chǎn)生它的超新星爆炸推動的。

地球上的黑洞殘余物

（圖解：圖為藝術(shù)家描繪的，一個超大質(zhì)量黑洞在吞噬恒星時噴射出的殘余物。圖源：卡爾·諾克斯-奧茲格拉夫，ARC引力波發(fā)現(xiàn)卓越中心，斯溫伯恩理工大學(xué)）

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今為止人們已知最遙遠(yuǎn)的一次黑洞撕裂恒星的現(xiàn)象，而這次發(fā)現(xiàn)正是因?yàn)楹诙聪虻厍驀娚涞暮阈菤堄辔铩?/p>

這一被稱為AT2022cmc的事件發(fā)生在距我們約85億光年之外的地方，也就是說，當(dāng)這個事件所發(fā)出的光開始它在宇宙中的旅程時，宇宙只有53億年的年齡，即它現(xiàn)在年齡的三分之一。據(jù)研究人員估計(jì)，黑洞每年消耗的恒星質(zhì)量大約相當(dāng)于太陽質(zhì)量的一半。

在這些被稱為潮汐瓦解事件（TDE）的暴力破壞案件中，約有1%的黑洞會從其兩極噴射出等離子流和幅射流。

英國萊斯特大學(xué)的天文學(xué)家，本項(xiàng)新研究的合著者尼亞爾·坦維爾（Nial Tanvir）在歐南臺（ESO）的一份聲明中表示：“我們只見過極少數(shù)的噴射式TDE，它們?nèi)匀皇欠浅Ｆ嫣氐囊活愂录藗儗@類事件的了解也非常少。因此，天文學(xué)家一直在尋找這類極端事件，試圖去理解那些噴流是如何產(chǎn)生的，以及為什么只有小部分的TDE會出現(xiàn)這種噴射現(xiàn)象?！?/p>

黑洞噴出恒星

（圖解：圖為幾年前一個黑洞在吞噬一顆恒星時噴出的物質(zhì)。圖源：DESY，科學(xué)通信實(shí)驗(yàn)室）

三年前，一個黑洞把一顆恒星做成了它的一份意大利面，并狼吞虎咽地吃掉了這頓晚餐。2022年，我們再一次發(fā)現(xiàn)了這個龐然大物，現(xiàn)在它正在打嗝。

當(dāng)物體距離黑洞太近時，比如恒星，黑洞強(qiáng)大的引力場將會在一個方向上拉伸恒星，而在另一個方向上擠壓它，從而將他們粉碎得像意大利面一樣。當(dāng)這些被撕碎的物質(zhì)落入黑洞當(dāng)中，它就會立刻升溫，并發(fā)出一道天文學(xué)家在數(shù)百萬光年之外都能夠發(fā)現(xiàn)的閃光。然而，黑洞是一個舉止雜亂的食客，它們偶爾也會將一部分吞噬掉的物質(zhì)吐回太空。

2018年10月，天文學(xué)家在距離地球6.65億光年的星系中發(fā)現(xiàn)一個黑洞，它撕碎了一顆質(zhì)量約為太陽十分之一的恒星。三年后，我們發(fā)現(xiàn)它正噴出一些源自于它“前一餐”的物質(zhì)。

哈弗和史密森天體物理中心，領(lǐng)導(dǎo)本項(xiàng)研究的天文學(xué)家伊薇特·岑德斯（Yvette Cendes）在一份聲明中表示：“從沒有人見過這樣的現(xiàn)象，這個發(fā)現(xiàn)讓我們所有人都大吃一驚。就仿佛是這個黑洞幾年前吞噬掉一顆恒星，現(xiàn)在卻又突然噴出一堆來自于那顆恒星的物質(zhì)。”

人工黑洞vs.史蒂芬·霍金

（圖解：圖里展示了一個完整的黑洞。圖源：馬克·加里克/科學(xué)圖片庫/蓋蒂圖片）

科學(xué)家宣布，對黑洞的實(shí)驗(yàn)室模擬證明了史蒂芬·霍金最著名的想法之一可能是正確的。

量子物理學(xué)發(fā)現(xiàn)，真空是不存在的。相對的，太空中其實(shí)充滿了振動，如果輸入足夠的能量，這些振動將會爆炸并產(chǎn)生成對的粒子和反粒子，它們將瞬間相互湮滅，發(fā)出光芒。在1974年，史蒂芬·霍金預(yù)測黑洞視界或洞口周圍極強(qiáng)的引力場就將以這樣的方式產(chǎn)生光子。

研究人員利用單原子鏈進(jìn)行了一次黑洞模擬實(shí)驗(yàn)，當(dāng)他們把電子的速度調(diào)節(jié)至能夠從鏈上的一個原子跳躍到另一個原子，以使原子鏈的一部分落入模擬的事件視界時，研究人員檢測到了原子鏈的溫度峰值，這一結(jié)果即成功模擬了“霍金輻射”。

物理學(xué)家仍然對霍金的預(yù)測抱有很大的興趣，因?yàn)檫@些預(yù)測正處于物理學(xué)中兩個偉大但目前仍不可調(diào)的理論的交匯點(diǎn)上：愛因斯坦的廣義相對論——從最大尺度描述宇宙；量子力學(xué)——以最小粒子的奇特表現(xiàn)描述宇宙。

蘊(yùn)藏量子特質(zhì)的黑洞

（圖解：一項(xiàng)新的研究表明，黑洞的表現(xiàn)與量子粒子十分相似。圖源：夜的創(chuàng)作者：AI繪畫）

22年秋天，科學(xué)家宣布黑洞可能具有不確定的量子特性，這表示黑洞從本質(zhì)上來說可以是既大又小、既重又輕，或是既死又活的，就像那只著名的薛定諤的貓。

量子物理表明，宇宙在其最微小的尺度上會變成一個超現(xiàn)實(shí)的世界，其中的物體能夠以疊加態(tài)存在，即可以同時以多種狀態(tài)存在，比如同時以兩個相反的方向旋轉(zhuǎn)。

科學(xué)家開發(fā)了一種計(jì)算機(jī)模型，將一個模擬的量子粒子放在一個巨大的模擬黑洞外。這次模擬為我們揭示了黑洞具有疊加態(tài)的證據(jù)，它能夠同時具有和不具有巨大的質(zhì)量。

該研究的主要作者，昆士蘭大學(xué)理論物理學(xué)博士喬舒亞·福（Joshua Foo）在一份聲明中表示：“我們想看‘黑洞’是否能同時擁有差距如此巨大的兩個質(zhì)量，而事實(shí)證明它們確實(shí)如此。到目前為止，我們還沒能深入研究出黑洞是否具有量子物理中的一些奇怪而又奇妙的表現(xiàn)。”

離我們最近的黑洞并不存在

天文學(xué)家在2022年3月表示，曾被認(rèn)為是距離地球最近的黑洞并不存在。

2020年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一些證據(jù)表明，距離地球僅1000光年的HR 6819是一個三星系統(tǒng)，其中一個恒星緊貼著黑洞運(yùn)行，另一顆恒星則在更寬闊的軌道上運(yùn)行。然而，另一些科學(xué)家對這一發(fā)現(xiàn)提出了異議，并在去年成功否定了這個黑洞的存在。

研究使用了歐南臺（ESO）的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）和甚大望遠(yuǎn)鏡干涉儀（VLTI），這兩個功能強(qiáng)大的儀器位于智利，它們能夠制作出HR 6819更精確的圖像。通過這兩臺儀器，研究人員發(fā)現(xiàn)那緊密的軌道內(nèi)只有兩顆恒星，而并不存在黑洞。其中一顆恒星正在不斷剝離另一顆恒星的質(zhì)量，這一現(xiàn)象有時被稱作“恒星吸血”。

20世紀(jì)80年代的黑洞事件

（圖解：圖為一位藝術(shù)家描繪的黑洞吞噬恒星的場景，也被稱為潮汐瓦解事件，此時黑洞中會產(chǎn)生超高速的噴射流。圖源：美國國家射電天文臺/AUI/國家科學(xué)基金會/NASA）

在高中實(shí)習(xí)生的幫助下，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了上世紀(jì)80年代一個超大質(zhì)量黑洞吞噬恒星的證據(jù)。盡管科學(xué)家已經(jīng)有大約100次探測到黑洞吞食掉鄰近的恒星，但像20世紀(jì)80年代那次一樣的事件，很少是依靠射電觀測到的。

通過分析1986年和1987年的觀測檔案，研究人員發(fā)現(xiàn)這顆名為J1533+2727的星體現(xiàn)在已經(jīng)比它過去最亮的時候暗了500倍。這樣的現(xiàn)象很可能是由一個距離地球5億光年的超大質(zhì)量黑洞造成的，它撕碎了一顆恒星，并噴出一束射電流，即所謂的潮汐瓦解事件（TDE）。

這項(xiàng)新研究的共同作者，多倫多大學(xué)的天文及天體物理系博士漢娜·戴卡爾（Hannah Dykaar）在一份聲明中表示：“迄今為止，在TDE最常出現(xiàn)的那類星系中，還沒有發(fā)現(xiàn)過與射電波相關(guān)的TDE。發(fā)現(xiàn)更多的射電TDE能夠幫助我們解開謎團(tuán)——這些事件會在什么類型的星系中發(fā)生，以及宇宙中存在多少類似事件。”

“大海撈針”新發(fā)現(xiàn)

2022年7月，天文學(xué)家證實(shí)了在銀河系外發(fā)現(xiàn)的首個休眠的恒星質(zhì)量黑洞。

休眠黑洞很難被探測到，顧名思義，黑洞通常是完全漆黑的，這使得黑洞在黑暗的宇宙背景下難以看清，除非它們正在主動吞噬能夠發(fā)光并顯示黑洞位置的物質(zhì)。

智利北部有一甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）位于阿塔卡馬沙漠地區(qū)，通過對其六年間收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)研究，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個具有九倍太陽質(zhì)量的黑洞，黑洞位于蜘蛛星云（Tarantula Nebula），即與我們鄰近的大麥哲倫星云（Large Magellanic Cloud）的恒星形成區(qū)域。這個黑洞繞著一顆質(zhì)量相當(dāng)于25個太陽的巨大藍(lán)星運(yùn)行，兩者組成了一個名為VFTS243的雙星系統(tǒng)。

盡管根據(jù)預(yù)測，幾乎每個星系中都會存在數(shù)十億個休眠黑洞，但這是我們首次明確探測到銀河系外休眠的恒星質(zhì)量黑洞。這項(xiàng)新研究的主要作者，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的天體物理學(xué)家托默·謝納爾（Tomer Shenar）在一份聲明中表示：“尋找這樣的黑洞有如大海撈針，但我們成功了?！?/p>

改造黑洞的首張照片

第一張黑洞圖像——位于銀河系中心的巨型黑洞梅西耶87（M87）——被重新拍攝，以展現(xiàn)這個龐然大物周圍的作用力。

于2019年發(fā)布的黑洞圖像由事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝，這個黑洞距離地球5500萬光年，質(zhì)量約等于65億個太陽。

盡管在最初的圖像中，超大質(zhì)量黑洞和它周圍的環(huán)境跟理論模型預(yù)測的非常相似，但科學(xué)家并未從中找到黑洞引力影響的預(yù)測圖像，那應(yīng)該是一個被稱為“光子環(huán)”的薄而明亮的圓環(huán)。

科學(xué)家在拍攝第一張圖像后，去除了圖像中的各種元素，以展現(xiàn)出受巨大引力影響而在黑洞周圍盤旋的光子。

該項(xiàng)目的主要研究者，加拿大滑鐵盧大學(xué)和Perimeter研究所的天體物理學(xué)家埃弗里·布羅德里克（Avery Broderick）在一份聲明中表示：“我們現(xiàn)在可以做一些更深入的研究了，去探尋黑洞周圍引力的基本特征?！?/p>

打破紀(jì)錄的黑洞爆發(fā)

（圖解：我們拍攝到了位于半人馬座A中心的黑洞，這張圖像前所未有地清晰。圖源：本·麥金萊，國際射電天文學(xué)研究中心/柯廷和康納·馬瑟恩，路易斯安那州立大學(xué)）

21年年初，我們拍攝到一張打破紀(jì)錄的黑洞爆發(fā)圖像，在最近已知的向地球發(fā)送的眾多黑洞射電圖像中，這是迄今為止最完整的一張。

這張圖像捕捉到了射電發(fā)射的黑洞物質(zhì)，這個有著5500萬倍太陽質(zhì)量的怪物，噴出的物質(zhì)幾乎達(dá)到了光速。其結(jié)果就是，距離地球約1200萬光年的半人馬座A，其中心黑洞所產(chǎn)生的巨大等離子瓣一直擴(kuò)散到了距離星系中心100多萬光年的地方。這次的黑洞爆發(fā)足以覆蓋天空中的16個滿月。

澳大利亞科廷大學(xué)的天文學(xué)家本杰明·麥金利（Benjamin McKinley）在一份聲明中表示：“以前的射電觀測無法應(yīng)對噴射流的極端亮度，而且星系周圍更大區(qū)域的細(xì)節(jié)會被扭曲，但是現(xiàn)在我們的新圖像已經(jīng)克服了這些限制?！?/p>

4000億億個黑洞

（圖源：圖為黑洞及其視界。圖源：尼古拉斯·福德/未來出版集團(tuán)）

天文學(xué)家宣布，宇宙中可能有4000億億，也就是40,000,000,000,000,000,000個恒星質(zhì)量黑洞，所有的這些黑洞加起來構(gòu)成了宇宙中1%的一般物質(zhì)。

通過分析宇宙中恒星的演化，研究人員估計(jì)了這些恒星單獨(dú)或以雙星形式轉(zhuǎn)化為恒星質(zhì)量黑洞的頻率，這些黑洞的質(zhì)量通常在太陽的五到十倍。

該研究的第一作者，意大利里雅斯特國際高等研究學(xué)院（SISSA）的天體物理學(xué)家亞歷克斯·西西利亞（Alex Sicilia）在一份聲明中表示：“這是宇宙歷史上最早的，也是穩(wěn)定性最強(qiáng)的從頭計(jì)算恒星黑洞質(zhì)量函數(shù)的方法之一?！?/p>

BY:Charles Choi

FY:趙若彤

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