一顆正在被黑洞撕碎的恆星
天文學家米斯蒂·本茨（Misty Bentz）指出，黑洞“並不是一臺在宇宙中到處轉悠、把一切都吸進肚子裡的吸塵器，它們利用引力的方式和其它天體其實別無二致。”
與許多人想象的“吸管”不同，黑洞只是由於體積極大、密度極高，因此引力極強，任何物質都無法從中逃脫。
近年來，黑洞屢屢出現在新聞上。比如在銀河系中央的超大質量黑洞周圍發現的恆星群，或者成長速度極快、每兩天就多出一個太陽質量的黑洞，又比如早在宇宙黎明時期就形成的最古老黑洞。從誕生到消亡，黑洞始終是宇宙中一種神奇的存在。本文將為你詳細介紹黑洞一生的故事。
誕生
黑洞的誕生源自恆星的死亡。當一顆質量至少為太陽10倍的恆星燃料耗盡後，即所有的氫都已聚變為氦、所有的氦又已聚變為碳、氧等其它元素後，黑洞便會隨之形成。恆星只剩下金屬內核後，便無法繼續發生核聚變，恆星的生命也就走到了盡頭，在一場劇烈的爆炸中謝幕。爆炸時，外層物質被拋離出去，內核則向內坍縮。
“如果恆星的質量足夠大，比如內核質量超過太陽的三倍，死亡後就會坍縮為黑洞。由於這類黑洞的質量接近恆星，我們稱其為恆星質量黑洞。”美國喬治亞州立大學天文學家米斯蒂·本茨指出。
恆星死亡，黑洞誕生，這種聯繫在宇宙中十分常見。恆星與黑洞有著密不可分的關係，在宇宙中恆星更新換代頻繁的區域尤其如此。
“在死去的恆星附近很容易發現正在形成的新恆星，因為質量最大的恆星往往活不長久，”本茨解釋道，“恆星壽命與質量有關。質量最大的恆星壽命比其它恆星短得多，因為燃料消耗得過快。”
黑洞的誕生也能促進新恆星的形成。本茨稱其為“大規模回收項目”。當一群新恆星形成時，其中質量最大的恆星會迅速死亡，以爆炸的形式告別其短暫的一生。“爆炸產生的衝擊波會壓縮更多氣體和塵埃，從而促進更多恆星形成。接著，這些恆星中質量最大的那顆也會很快爆炸，產生新的衝擊波，再形成新的恆星。新恆星的誕生與舊恆星死亡產生的鏈式反應息息相關。”
但恆星質量黑洞還不算什麼，超大質量黑洞的起源遠比其詭異得多。此類黑洞常見於星系中央，銀河系也不例外，且形成過程與其它較小黑洞略有不同。
“超大質量黑洞的質量可能高達太陽的數百萬、甚至10億倍。但它們並非生來就如此體量驚人。問題是，它們是如何形成的？又是如何長到這麼大的？”紐約皇后社區學院理論天體物理學家吉利安·貝羅瓦里（Jillian Bellovary）指出。
就天文學家所知，超大質量黑洞約形成於130億年前，可迅速成長為極大的黑洞。貝羅瓦里表示：“我們已經發現了質量達太陽數十億倍的黑洞。它們誕生得非常早，這一點就很奇怪，因為我們不知道那麼小的空間中怎麼會有這麼多的質量。”
“這有點像‘先有雞還是先有蛋’的問題，”本茨指出，“在宇宙形成初期，一些密度過高的區域可能通過直接坍縮形成黑洞。也許這些物質剛開始是在引力作用下發生坍縮的，隨後不斷坍縮下去，直至形成黑洞，過程中也不會形成恆星或其它天體。”
另一種解釋是，超大質量黑洞起源於早期星系中。一開始形成的黑洞較小，隨後不斷在星系中央合併為較大的黑洞。
貝羅瓦里指出，這些早期超大質量黑洞的前身一開始可能體積適中，但又必須大於恆星質量黑洞，否則便無法在短時間內成長為早期宇宙中的“龐然巨獸”。
“這些超大質量黑洞算是贏在了起跑線上，它們剛形成時便體積不小，否則來不及增長得如此巨大。因此它們剛形成時便已經是中等體積的黑洞了。”貝羅瓦里解釋道。
科學家仍在努力研究這些黑洞是如何藉助早期宇宙中的熾熱氣體與塵埃形成的。此類物質同時坍縮時一般會形成恆星，因此早期宇宙的化學成分也許有某些獨特之處，促進了早期黑洞的形成。
“早期宇宙中的氣體也許僅由氫和氦構成，因為這是宇宙大爆炸產生的唯一兩種元素，其它元素都是在恆星內部形成的。如果當時尚未形成恆星，就不會有其它元素。早期宇宙的這一化學構成，再加上氣體的運動（或缺少運動），也許激發了早期宇宙中黑洞的誕生。”
中等質量黑洞都藏到哪裡去了？
成長
黑洞的大小不會一成不變。落入其中的一切物質都無法從中逃脫，並被吸收為黑洞質量的一部分，使黑洞不斷生長。
“無論落入黑洞中的是氣體、恆星還是行星，都會增加黑洞的質量。這種一點點吞食物質的過程便是黑洞生長的途徑之一。”本茨表示。
“我們認為，吞食氣體是效率最高的黑洞生長方式。”貝羅瓦里指出，“氣體落入黑洞中時，就像水旋轉著從水槽中流下去一樣。氣體被黑洞的引力吸引過去，但氣體自身也會運動，因此會圍繞著黑洞形成一個薄薄的圓盤，最終被吞入黑洞中。”
吞食氣體的效率的確很高，但合併也是黑洞快速成長的途徑之一。黑洞相撞後，這兩個看不見的巨大天體便會融為一體。科學家可藉助LIGO望遠鏡觀測黑洞合併現象。2015年，LIGO首次探測到了兩個黑洞合併時產生的引力波（不過該消息到2016年才對外公佈）。
“這是我們瞭解到的首個不涉及光線的宇宙事件。在此之前，我們總要依賴光線和眼睛進行觀測。沒有了光線，我們便對宇宙一無所知。光對我們固然重要，但如今我們也能觀測到無法依賴光線進行觀察的宇宙事件了，比如說黑洞合併。”貝羅瓦里表示，“若不是因為引力波，我們便無從知曉究竟發生了什麼。”
超大質量黑洞與恆星質量黑洞的體積相差甚遠，應當還有質量和體積介於兩者之間的黑洞。唯一的問題是，研究人員至今還未觀察到過這種“中等黑洞”。
但這並不意味著中等質量黑洞不存在。許多研究人員仍在積極尋找此類黑洞。但它們很難用可見光進行探測，不像恆星質量黑洞，可以藉助被撕碎的恆星來觀測；也不像超大質量黑洞，它們吸收的氣體、塵埃和物質極多，落入其中的粒子相撞時會發出極亮的光芒，比宇宙中我們見過的任何天體都要明亮。
“中等質量黑洞的引力不夠強，亮度也不夠高。”本茨指出。並且研究人員認為，它們發射出的光線主要處在X射線波段，宇宙中也有別的天體以這一波段的光線為主，因此不夠特殊。
“很難把它們與其它天體區分開。”本茨說道，“它們也許就在那兒，只是我們很難確定無疑地說，‘這個肯定是中等質量黑洞’。”
死亡
無論體積如何，黑洞都會經歷特定的生命階段，即誕生和成長。但黑洞會死亡嗎？霍金認為有可能，稱黑洞可藉助名為“霍金輻射”的物理機制逐漸滅亡。
該理論認為，如果黑洞不再吸收其它物質，最終便可能被亞原子粒子銷蝕掉。本茨是這樣解釋的：在宇宙各處，亞原子粒子剛剛誕生時，均以粒子和反粒子的形式成對存在。但它們形成後便會立即相撞、湮滅，迴歸能量形式。
“簡單來說，就是能量轉化為質量，質量再轉化為能量，這一過程不斷循環往復。”本茨解釋道，“如果該過程發生在黑洞附近，粒子-反粒子對中的一方被吸進了黑洞中，另一方則留在時間邊界之外，就等於從黑洞中竊取了一點能量。這一半粒子遠離黑洞時，相當於把黑洞的能量也帶走了一部分。”
如果該過程不斷髮生，同時黑洞沒有吸收更多質量，最終整個黑洞都會被輻射掉。不過無論是恆星質量黑洞、超大質量黑洞還是中等質量黑洞，都要耗費極久的時間，才能讓黑洞損耗一丁點兒。
“哪怕在宇宙伊始就形成一個黑洞，現在宇宙經歷的時間也不足以讓其死亡。最早形成的黑洞可能要過1054年才會開始消亡。”本茨指出。
這一過程之久、黑洞與亞原子粒子的體積差異之大意味著黑洞發出的霍金輻射無法被直接觀測到。科學家用實驗室中黑洞模擬物開展的實驗顯示，霍金的理論可能是正確的，但我們對黑洞的結局仍然不甚明瞭。
待解之謎
事實上，我們對黑洞的瞭解本來就很有限。所幸有本茨和貝羅瓦里這樣的研究人員，正致力填補我們對黑洞瞭解的空缺。
本茨正在研究遙遠星系中央超大質量黑洞能夠達到的體積上限。她還在研究黑洞體積與其所在星系性質之間的關聯。她希望自己的觀測結果可用於建立相關計算機模型，幫助人們分析黑洞的演變過程、以及解答與宇宙形成有關的問題。
貝羅瓦里則在參與LISA（激光干涉空間天線）項目的設計。該項目計劃於2030年後開展，屆時將發射三枚探測器，分佈在距地球250萬公里處，構成類似LIGO的天基引力波探測裝置，只不過關注重點為超大質量黑洞、而非恆星質量黑洞的合併。
“我對該項目感到非常激動，因為它將幫助我們瞭解無法用光線進行觀察的事物，有助於我們瞭解黑洞的生長過程、合併頻率、質量來源（來自黑洞合併還是吸收氣體）、形成方式、數量分佈、以及在我們看不到的區域是否存在黑洞等信息。如果僅用光線進行觀測，這些問題將永遠得不到解答。”貝羅瓦里表示。
黑洞體量驚人、神秘莫測。但有一點是研究人員可以確定的：“它們並不危險。黑洞離我們非常遙遠，因此用不著擔憂。”貝羅瓦里指出，“還有很多其它東西更值得我們擔心。”
本茨也贊同她的看法：“黑洞是一種極端天體，但並不可怕。”有些人害怕黑洞會在星系中橫衝直撞，將附近的星球盡數吞入腹中。對此本茨表示，如果把太陽換成一個相同質量的黑洞，地球軌道根本不會受到影響。“地球仍將保持原本的軌道旋轉，只不過少了太陽的光和熱而已。要想被黑洞吞掉，必須靠得很近才行。但假如我們靠近太陽，下場也一樣悲慘。”
“黑洞離我們非常遠，對地球構不成威脅。除非你離黑洞靠得太近，它才會變得危險起來，但到時害怕也來不及了。”貝羅瓦里說道。
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