一说到黑洞，各位首先想到的是什么？只能进不能出？吃人不吐骨头？出于博眼球的原因，有些文章把黑洞描写的极为可怕，再加上人们对未知的恐惧，黑洞被塑造成一个彻头彻尾的“恶魔”。然而事实果真如此吗？绝对不是，人马君要为黑洞正名，还它一个清白！
黑洞的动画模拟
黑洞的前世今生
要正名，首先得知道黑洞是怎么来的，这个问题在网上已经有足够多的资料，人马君就不详细赘述了，只简单梳理了一下黑洞的“黑历史”：
- 暗星时代：1783年和1796年，约翰·米歇尔和拉普拉斯根据经典力学，分别预言了可能存在“暗星”，即引力强到连光都无法逃脱的星体，这时的光还被认为是纯粹的粒子；
- 理论基础：1915年底，“科学教父”爱因斯坦提出了著名的广义相对论，指出引力造成了空间的弯曲，并给出了广义相对论引力场方程；
- 方程的“精确解”：令爱因斯坦没想到的是，他的方程仅几个月后就被趴在一战战壕中的史瓦西解出，预言出了真正能够束缚住光的“暗星”，他得到的方程精确解实际是指无自转的黑洞；1963年，克尔得到了有自转黑洞的精确解；
- 原子弹之父的“副业”：奥本海默和他的学生计算出了黑洞的质量下限——3.2个太阳质量；
- “黑洞”定名：1968年，约翰·惠勒将“暗星”定名为黑洞并推广；
- 黑洞蒸发：1974年，霍金提出”霍金辐射“理论，发现黑洞也会蒸发，不是只进不出；
- 终见真容：2019年4月10日，事件视界望远镜的第一张黑洞照片问世，世人终于见到黑洞的真面目。
人类首张黑洞照片
黑洞的类型和特点
宇宙中的黑洞相当的多，并且有着很大的区别，如果按个头或者说质量大小，可分为以下几种：
- 超大质量黑洞：超过10万个太阳质量，位于星系或类星体的中心，很可能是宇宙大爆炸之后，在物质密度比较高的区域直接形成；
- 中等质量黑洞：100至10万个太阳质量，发现的很少，可能是由恒星级黑洞成长而成，也可能像超大质量黑洞那样直接形成；
- 恒星级黑洞：100倍太阳质量以下的黑洞，由大质量恒星在引力坍缩后形成，这样的黑洞数量最多；
- 微小黑洞：质量与地球相当甚至更小的黑洞，仅可能在大爆炸初期直接形成，但由于霍金辐射，会比较快的蒸发掉。
黑洞导致光线弯曲
实际上，黑洞除了质量大小外，还有两个特性：角动量和电荷。根据自转与否和带不带电，还可以分成四类：不自转不带电（史瓦西黑洞），带电不自转（R-N黑洞），自转不带电（克尔黑洞），既自转又带电（克尔-纽曼黑洞）。
黑洞造就了星系和恒星
也许你会认为黑洞是恒星和生命的毁灭者，因为有大量观测表明黑洞正在撕裂邻近恒星，吞噬周围的气体，仿佛长着一张血盆大口一样。殊不知，在宇宙演化的早期形成的超大质量黑洞，却扮演着星系缔造者的角色。
仙女座星系M31
天文学家发现，在每一个较大星系的中心，几乎都有一个超大质量黑洞。仙女座星系如此，我们所在的银河系也不例外，这显然不是巧合。银河系中心的黑洞被命名为人马座A*（嘿嘿，知道人马君这个ID是怎么来的了吧），质量大约是太阳的430万倍，虽然在地球上看不见，但我们可以通过周围天体的运动来感受到它的威力。
银河系中心附近天体的运动轨迹
实际上，这些超大质量黑洞正是星系形成的关键！长期以来，对于超大质量黑洞和星系是如何形成的，一直存在争议，主要有两种说法：
一种说法是在宇宙大爆炸后比较短的时间内，由于密度涨落，在物质比较密集的地方直接形成了大大小小的黑洞。比较微小的黑洞由于霍金辐射会迅速蒸发，而大黑洞则会因为不断吞噬周围丰富的物质而迅速长大。与此同时，它用巨大的引力将物质吸引在周围旋转，这些物质后来形成了恒星。而邻近的恒星和物质的引力又会吸引外侧更大区域的物质，最终形成了以黑洞为中心的星系。
宇宙的丝状结构
另一种说法是黑洞晚于恒星形成。宇宙中密度较高的区域首先形成了第一批恒星。其中的大质量恒星衰亡之后，坍缩为第一批黑洞。这些恒星级黑洞通过吞噬物质而长大，同时不断融合，形成了超大质量黑洞。而黑洞同样将大量的物质吸引在它的周围，构成星系的种子。
黑洞吞噬物质
不管哪种说法，都不能掩盖黑洞在星系形成中的作用，以及黑洞与星系之间的密切关系。星系形成之后，物质密度和引力扰动比在星系外的空间更高，促进了星云中恒星的孕育，包括我们的太阳。从这个角度来说，人类的出现，也与黑洞有着密不可分的关系。
黑洞是星系的调节器
在银河系和仙女座星系，中心黑洞是宁静的，我们甚至无法直接观察到它们的存在。而在另外一些星系，中心黑洞处于活跃状态，它们不断吞噬着星系内的气体，并从两极将气体泵出，释放出巨大的能量。类星体正是典型的活跃星系核。
活跃的星系核：类星体
这种机制使得黑洞对星系内的气体密度有着巨大的影响，而气体密度与恒星的形成息息相关，因此黑洞实际上扮演了星系调节器的角色，控制着星系内的恒星形成速度。
黑洞会吞噬一切吗？不可能的事儿
人们对黑洞的恐惧，有很大一部分源于对黑洞吞噬世界的担心：也许有一天，地球会被黑洞吃掉，甚至整个宇宙也会被黑洞彻底吞没，归于黑暗。这种担心全然没有必要，原因有二：
第一，虽然宇宙中存在许多超大质量黑洞，例如TON 618，达到660亿倍太阳质量，但是，宇宙是在膨胀的，而且膨胀速度远远大于黑洞靠引力拉近物质的速度。具体到我们所在的本星系群，虽然附近的几十个星系在引力作用下相互靠近，最终可能形成一个巨椭圆星系，但是在更大尺度的空间内，我们距离其它的星系群越来越远.因此，没有哪个超大质量黑洞能把宇宙全部吞掉！
宇宙膨胀
第二，即使是星系的范围内，中心黑洞也不可能全部吃掉所在的星系。由于星系内大量的恒星距离中心黑洞都非常的遥远，并且都有一定的运行速度，会保持绕星系中心旋转的状态，不会向中心跌落。即使根据引力波理论，二体系统的能量会因为辐射引力波而衰减，最终导致二体碰撞，但这一过程非常漫长，可能要比宇宙目前的年龄还要大许多许多倍.再加上黑洞自己还会蒸发，所以，我们完全不用担心。实际上，星系中的天体数量如此巨大，并不是简单的二体运动，有大量的恒星会因为彼此间的相互作用而被向外抛离，甚至成为流浪恒星，从这个角度来看，黑洞更不可能把恒星全部吃掉。
黑洞吞噬邻近恒星
具体到我们的太阳系，它与银心黑洞的距离实在是太远了，在可预见的将来，不存在被银心黑洞吞噬的任何可能。但太阳会不会遭遇附近的更小的黑洞呢？也不可能，如果这个黑洞是微小黑洞的话，会在极短时间内蒸发殆尽。而大质量恒星形成的恒星级黑洞，离太阳的最近距离最少也有几光年（实际上几光年内没有任何较大黑洞存在的迹象），这么远的距离，黑洞只能欺负欺负伴星，对太阳实在是鞭长莫及啊！
黑洞中奇妙的“时空隧道”和“裸奇异”
从黑洞被预言的过程就可以发现，黑洞的存在，是数学和物理规律的必然结果。黑洞是一个奇点（对于非史瓦西黑洞，可能是一个奇环）。在数学上，奇点是客观存在的，是自然界一种很平常的现象。而物理学天生讨厌奇点，因为这会造成很多不可预知的奇特现象，
比较典型的例子就是“时空隧道”和“裸奇异”：真正的黑洞专家彭罗斯研究各类非史瓦西黑洞时，发现这些黑洞的内部时空很特别，它的奇点（或奇环）与时间走向平行，被称为类时奇点（或奇环）。在克尔-纽曼黑洞中，光和质点的世界线有可能穿过奇环区域，进入另一个时空！在数学上，这个“荒谬”的时空隧道是有可能存在的！
时空隧道（想象图）
另一种情况更令物理学家头大：在增加非史瓦西黑洞的角动量或电荷时，黑洞的单向膜区（事件视界内部）可能会变薄甚至消失，奇点或奇环会裸露在外。“裸奇异”是科学家根本不能接受的，它会造成无法解释的现象，比如前一秒还好好的，后一秒突然被奇点吞噬，甚至还会导致因果论的崩溃……
裸奇点的出现，引自《看不见的星：黑洞与时间之河》
彭罗斯无奈之下，提出了一个“宇宙监督假设”，假设宇宙中存在一个监督官，不允许裸奇异的出现。而对于讨厌的时空隧道，宇宙监督假设表现为“类时奇异性不稳定”，当光或质点进入黑洞时，会造成扰动，破坏类时奇点，阻断时空隧道。
黑洞是不是很奇妙？人马君觉得，对黑洞的研究使我们对世界的认识更加深刻，从这个角度来看，黑洞的功劳大大滴！
写在最后
以上，人马君与大家分享了关于黑洞的种种。各位看过之后，对黑洞的印象有没有改观呢？从本质上来看，黑洞是现实世界的一种自然状态，与人类的好恶无关。它是宇宙中的一个关键的基本要素，从某种程度上说，它的地位甚至比星系和恒星还要高呢！
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