在星系NGC 4261的黑洞核心想象圖
你可能聽人說過，“我的桌子變成了一個黑洞！”你可能在電視上看過天文學節目，或者在雜誌上讀過關於黑洞的文章。自從1915年愛因斯坦的廣義相對論預言了這些奇異的物體之後，我們就對它們產生了濃厚的興趣。
黑洞是什麼？他們真的存在嗎？我們怎樣才能找到它們呢？在本文中，我們將研究黑洞並回答所有這些問題！
黑洞是什麼？
黑洞的藝術想象圖：箭頭顯示黑洞開口內和開口周圍的物體運動路徑
當一顆大質量的恆星死去時，剩下的就是黑洞。
你如果知道恆星是如何工作的，那麼你肯定知道明亮的恆星是一個巨大的，令人驚異的聚變反應堆。因為恆星是如此巨大並由氣體組成，所以有一個強烈的引力場總是試圖坍縮恆星。在核心發生的聚變反應就像一顆巨大的聚變炸彈，試圖引爆恆星。引力和爆炸力之間的平衡決定了恆星的大小。
隨著恆星的死亡，核聚變反應停止，因為這些反應的燃料被燒掉了。與此同時，恆星的引力將物質吸入並壓縮核心。當核心壓縮時，它會升溫，最終產生超新星爆炸，物質和輻射會爆炸到太空中。剩下的是高度壓縮的、極其巨大的內核。內核的引力非常大，連光都無法逃脫。
這個物體現在就是一個黑洞，它會從我們視野中消失。由於內核的引力非常強大，所以就會在時空結構中下沉，在時空中形成一個洞——這就是為什麼這個物體被稱為黑洞。
核心變成了黑洞的中心部分，稱為奇異點。這個洞的開口叫做視界。
你可以把視界想象成黑洞的入口。一旦某物越過視界，它就永遠消失了。一旦進入視界，所有的“事件”(時空中的點)停止，沒有任何東西(甚至是光)可以逃脫。視界的半徑被稱為史瓦西半徑，以天文學家卡爾·史瓦西命名，他的工作導致了黑洞理論。
知識鏈接：光無法逃離的物體(如黑洞)的概念最初是由皮埃爾·西蒙·拉普拉斯在1795年提出的。根據牛頓的引力理論，拉普拉斯計算出，如果一個物體被壓縮到足夠小的半徑內，那麼這個物體的逃逸速度將比光速還快。
黑洞的類型有哪些？
克爾黑洞結構
克爾黑洞結構圖：紅色是事件視界，而蛋形區域則是能層（旋轉黑洞的視界與無限紅移面之間的區域，進入其中的物質逃出時可以獲得能量 ）。
黑洞有兩種類型：
- 史瓦西黑洞
- ——非旋轉黑洞
- 克爾黑洞
- ——旋轉黑洞
史瓦西黑洞是最簡單的黑洞，核心不旋轉。這種類型的黑洞只有一個奇異點和一個視界。
克爾黑洞可能是自然界中最常見的形式，它之所以旋轉是因為形成它的恆星是旋轉的。當旋轉的恆星坍縮時，核心繼續旋轉，並將其帶入黑洞(角動量守恆)。克爾黑洞有以下幾個部分：
- 奇點
- ——坍塌的岩心。
- 視界
- ——洞的開口
- 能層
- ——視界周圍扭曲空間的蛋形區域（扭曲是由黑洞旋轉引起的，黑洞旋轉會“拖曳”周圍的空間）。
- 靜力極限
- ——二球體與正常空間之間的邊界。
如果一個物體進入能層，它仍然可以通過從黑洞的旋轉中獲得能量而從黑洞中噴射出來。
然而，如果一個物體穿過視界，它就會被吸入黑洞而永遠無法逃脫。黑洞內部發生了什麼是未知的；即使我們目前的物理理論也不適用於奇點附近。
雖然我們看不到黑洞，但它確實有三種屬性可以或可以測量：
- 質量電荷旋轉速度(角動量)
到目前為止，我們只能通過其他物體在黑洞周圍的運動來可靠地測量黑洞的質量。如果一個黑洞有一個伴星(另一顆恆星或物質的圓盤)，它就有可能測量這個看不見的黑洞周圍物質的旋轉半徑或軌道速度。黑洞的質量可以用開普勒修正的行星運動或旋轉運動的第三定律來計算。
我們如何探測黑洞
哈勃太空望遠鏡觀測的星系NGC 4261的核心
雖然我們看不到黑洞，但我們可以通過測量黑洞對周圍物體的影響來探測或猜測黑洞的存在。可以使用以下效應：
- 來自黑洞或螺旋進入核心的物體的質量估計引力透鏡效應發出輻射
質量
許多黑洞周圍都有物體，通過觀察物體的行為，你可以發現黑洞的存在。然後，你利用對可疑黑洞周圍物體運動的測量來計算黑洞的質量。
你要找的是一顆恆星或一盤氣體，它的行為就好像附近有一個巨大的質量。例如，如果一個可見的恆星或盤狀的氣體“搖擺不定”運動或旋轉，沒有明顯導致這種運動的原因或者有看不見的東西施加了影響，似乎是由一個物體的質量大於三個太陽質量中子星(太大)，那麼有可能是黑洞是導致運動。然後通過觀察黑洞對可見物體的影響來估計黑洞的質量。
例如，在NGC 4261星系的核心，有一個棕色的螺旋狀圓盤正在旋轉。這個圓盤和我們的太陽系差不多大，但重量是太陽的12億倍。對於一個圓盤來說，如此巨大的質量可能表明圓盤中存在一個黑洞。
引力透鏡
愛因斯坦的廣義相對論預言重力可以彎曲空間。這一點後來在日食期間得到證實，當時是在日食發生前、期間和之後測量恆星的位置。由於太陽的引力使恆星發出的光彎曲，所以恆星的位置發生了變化。因此，一個在地球和一個遙遠的物體之間有著巨大重力的物體(像一個星系或黑洞)可以將來自遙遠物體的光彎曲成一個焦點，就像透鏡一樣。這種效果可以在下面的圖片中看到。
這些圖片顯示了MACHO-96-BL5從地面望遠鏡(左)和哈勃太空望遠鏡(右)上的亮度
在上圖中，MACHO-96-BL5的亮度在重力透鏡從它和地球之間經過時開始變亮。當哈勃太空望遠鏡觀察這個物體時，它看到兩個物體的圖像靠在一起，這表明存在引力透鏡效應。中間的物體是看不見的。因此，我們得出的結論是，在地球和物體之間存在著一個黑洞。
發出輻射
雙星系統中黑洞的示意圖，顯示了黑洞周圍的吸積盤和x射線的發射
當物質從伴星落入黑洞時，它會被加熱到數百萬開爾文並加速。這些過熱的材料發出x射線，x射線望遠鏡可以探測到這些x射線，如錢德拉x射線軌道天文臺。
天鵝座X-1是一個強x射線源，被認為是一個黑洞的好候選者。如上圖所示，來自伴星HDE 226868的恆星風將物質吹到黑洞周圍的吸積盤上。當這種物質落入黑洞時，它會釋放x射線，如圖所示:
從錢德拉x射線天文臺軌道拍攝的天鵝座X-1的x射線圖像
除了x射線，黑洞還可以高速噴射物質形成噴射流。許多星系都被這樣的噴流觀測到。目前，人們認為這些星系的中心有超大質量的黑洞(數十億的太陽質量)產生噴射和強烈的無線電發射。一個這樣的例子是M87星系，如下所示:
活動星系核的示意圖，其中心有一個特大質量黑洞
左邊和下面的圖像是基於地面的M87星系中心的無線光鏡圖像。右邊的圖像是哈勃太空望遠鏡拍攝的可見圖像。注意來自M87的物質噴射。
重要的是要記住，黑洞不是宇宙真空吸塵器——它們不會吞噬一切。因此，雖然我們看不到黑洞，但有間接證據表明它們存在。它們與時空旅行和蟲洞有關，在宇宙中仍然是迷人的物體。
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