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一文说清：什么是黑洞
黑洞不是真正的洞，而是物质密集到非常小的区域。它们非常密集，其强大的引力不允许任何东西逃脱。
我们将讨论黑洞，这是天文学中最有趣的话题之一，因为它们神秘的性质令人着迷。
多年来，科学家一直在研究黑洞，但对它们知之甚少。我们银河系中心的超大质量黑洞被称为“人马座A*”。去年，天文学家揭示了人马座A*的第一张图像。这个黑洞的质量是太阳的四百万倍。
2019年，人们首次获得了黑洞图像。M87星系中心的超大质量黑洞是第一个被捕获的黑洞。最近，借助机器学习的帮助，图像进行了改造，黑洞的中心区域出现了更大、更黑暗的结构。新图像被称为“瘦甜甜圈”。
科学家还发现了离地球最近的两个黑洞。这两个黑洞都是一种新型黑洞，位于银河系中。欧洲航天局的“盖亚”任务通过跟踪一些恒星的轨道来发现了这个新的黑洞家族。这些黑洞被称为“盖亚BH1”和“盖亚BH2”。
黑洞：了解这些庞然大物
黑洞不是真正的洞，而是物质密集到非常小的区域。
黑洞是时空中的一个区域，其引力极强，甚至连光也不能逃脱，吞噬所有进入其中的物质。
黑洞非常密集，其强大的引力不允许任何东西，甚至连光都无法逃脱。
这些庞然大物吞噬其附近的所有物质。堆积物形成黑洞周围的盘状结构，并反射辐射，使结构变得可见。
黑洞的边界，包含所有构成庞然大物的物质，被称为事件视界。它不像地球或太阳的表面一样是一个面。
黑洞：有趣的事实
2020年诺贝尔物理学奖授予三位科学家，以表彰他们在黑洞领域的工作。罗杰·彭罗斯获得了奖项的一半，以表彰他发现黑洞形成是爱因斯坦广义相对论的一个有力预测。而Reinhard Genzel和Andrea Ghez则因在银河系中心发现超大质量紧凑物体而获得了另一半奖金。
盖亚BH1是距离地球最近的黑洞，位于蛇夫座方向，距离我们1560光年。盖亚BH2是距离地球第二近的黑洞，位于人马座方向，距离我们3800光年。2023年3月30日，天文学家在《皇家天文学会月刊》上发表了一篇论文，描述了盖亚BH2。他们曾在去年分别在同一期刊上描述过盖亚BH1。这两个对象都是在去年被发现的，在各自的论文中被描述为黑洞。
根据NASA的说法，迄今为止发现的最遥远的黑洞距离地球130亿光年，位于一个名为QSO J0313-1806的星系中心。
# TON 618是迄今为止观测到的最质量巨大的黑洞，约为太阳的660亿倍。
# 与恒星成对出现的最小黑洞，是迄今为止发现的最轻的黑洞，约为太阳质量的3.8倍。
# 当物质靠近黑洞时，将被横向挤压和纵向拉伸，形成类似意大利面条的形状。这种现象被称为意面化。
# 2019年10月8日，天文学家发现了一颗恒星是如何被一颗质量比其大一百万倍的黑洞撕成“意面”的最近例子。一颗类似太阳的恒星被潮汐扰动，或者在被撕裂后被吹走了材料。
# “意面化”发生在距离地球2亿1千5百万光年的地方。在此之前，最近的潮汐破坏是在距离地球约2.9亿光年的星系中心发现的。
加利福尼亚大学伯克利分校的天文学家能够研究到2019年10月8日发生的恒星死亡的光学光，因为这是第一个足够明亮的事件，可以分析光线。
天文学家的观察表明，很多恒星材料以高速度被吹走，最高可达每秒1万公里。星体的物质形成了一个气态球体，阻挡了黑洞抓取星体余下部分所产生的大部分高能辐射。
天文学家表示，气体云可能是球对称的。
# 所有黑洞都会旋转，其中最快的每秒转1000次。据NASA称，最快的黑洞被命名为GRS 1915+105。
# 黑洞是粒子加速器，可以将粒子发射到接近光速。
# 如果一个太阳质量的黑洞取代地球的恒星，太阳系会变得非常寒冷，但行星仍将维持其轨道，因为黑洞的引力与太阳相同。
# 黑洞是恒星爆发的产物，即当巨大的恒星燃料耗尽并在超新星爆炸中瓦解时，就会形成黑洞。
# 黑洞并不罕见，大多数与银河系大小相当的星系都在其中心拥有超大质量黑洞。
黑洞：探寻它们的方式
由于黑洞不会发射或反射光线，因此对望远镜来说它们是无形的。黑洞可以通过它们对周围环境的影响来检测和研究。黑洞周围的气体和尘埃环被称为吸积盘，可以发射各种波长的光线，包括X射线。超大质量黑洞的强烈引力可以让恒星以独特的方式绕其轨道运行。
耀变体中心的超大质量黑洞。图：NASA
上面的插图是一种称为“类星体”星系中央的超大质量黑洞。图像显示一个明亮的吸积盘和黑洞周围一个较暗的气体和尘埃环，黑洞在排出亮的粒子喷流。
由于黑洞是极端巨大物体，加速穿越太空，因此会在时空结构中产生涟漪，称为引力波，可以通过对探测器的波纹效应来检测。像黑洞这样的质量巨大的物体可以扭曲更远物体的光线，这种现象称为引力透镜效应，有助于科学家找到孤立的黑洞。
黑洞也可以通过观察因受到巨大引力影响而在天空中摇晃的恒星来检测。
黑洞：不应被误认为的结构
黑洞既不是虫洞，也不是宇宙吸尘器。这些巨大的物体不是虫洞，因为它们不提供空间中不同点之间的捷径或通往其他维度和宇宙的门户。黑洞不是宇宙吸尘器的原因是它们不会吸入远离它们的物质。
黑洞：了解这些巨大结构的解剖学
所有黑洞的构成都只有三个属性：质量、自旋和电荷。它们从几倍太阳质量的恒星黑洞到重达数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞都有。
根据NASA的说法，黑洞的不同部分包括日冕、吸积盘、事件视界、事件视界阴影、奇点、多普勒束缚、光子平方和粒子喷流。
黑洞：这个巨大的庞然大物的构成
日冕
黑洞周围的一个湍流的数十亿度云称为日冕，它扩展到黑洞周围的盘状物上下方。黑洞的强磁场是宇宙中最极端物理环境之一，它产生了这个湍流云。
黑洞日冕：这幅插图展示了一个超大质量黑洞的日冕(corona)。 光晕看起来像是吸积盘上方的一个浅色的锥形漩涡。图：NASA
黑洞的日冕是X射线的来源，其能量比吸积盘发出的X射线高得多，并加速粒子接近光速。然而，科学家们尚未能够确定黑洞的日冕的确切范围和形状。
吸积盘
绕黑洞旋转的热气体盘是黑洞的主要光源，称为吸积盘。吸积是黑洞消耗物质以生长的现象。
黑洞也通过与其他黑洞合并而生长。与恒星配对的恒星黑洞通过从恒星中拉取气体和质量生长，而超大质量黑洞则通过从进入其附近的恒星拉取气体和质量生长。
根据NASA的说法，吸积的气体会沉淀成一个热、明亮、快速旋转的盘状物。逐渐地，物质从吸积盘的外部移动到其内部边缘，并落入事件视界。
一旦黑洞消耗了周围的所有物质，这个巨大的结构就变得孤立起来，因为它不再拥有吸积盘，并变得非常难以找到和研究。
根据NASA的说法，当从大多数角度观察吸积盘时，它们具有“有趣的形状”，因为黑洞的引力场扭曲了时空，即宇宙的结构，使光线沿着扭曲的路径走。因此，由于引力透镜效应，来自黑洞后面吸积盘顶部的光线在地球上形成一个隆起。黑洞下面也看到了一个隆起，因为来自吸积盘远侧下面的光线采取了不同的路径。当吸积盘正面朝向地球时，我们看不到隆起，因为盘直接面对地球，没有引力透镜效应。然而，当从不同角度观察吸积盘时，它们看起来扭曲并形成“有趣的形状”，这是由于引力透镜效应的缘故。
事件视界
黑洞的边界称为事件视界，必须具有高于光速的速度才能逃离其结构。即使是光也无法逃脱事件视界，因此事件视界是黑洞为何是黑色的原因。所有穿越事件视界的物质都注定要留在其中，包括光。外部观察者将永远不知道黑洞内部发生了什么。但是，旋转的吸积盘不会进入事件视界，它反射光线，使天文学家能够研究黑洞。
事件视界影
事件视界影是黑洞周围大约两倍大小的区域。事件视界吸收掉落进入其中的光线，黑洞引力透镜效应折射吸积盘发出的光线，形成了事件视界影。
奇点
黑洞中心的理论点称为奇点，物质在其中被压缩到无限密度，这是相对论的预测。穿越黑洞事件视界的任何物质的最终目的地都是奇点。目前，天文学家不知道奇点是物理结构还是纯数学结构。
多普勒增强
多普勒增强是一种效应，导致吸积盘在朝向地球旋转的区域变亮，在远离地球旋转的区域变暗。吸积盘在黑洞附近旋转得非常快，因此相对论效应变得明显。吸积盘朝向地球旋转的部分反射光线变得更亮和更蓝，而远离我们旋转的另一侧反射光线变得更暗和更红。这可以与日常声学现象(如警笛)进行比较，声音的音调和音量随着源接近和经过某人而上升和下降。因此，多普勒增强是这种声学现象的光学等效物。
光子球
在事件视界影边缘出现的一系列薄光环构成了光子球。这些薄光环从每个视角都可以看到，是吸积盘高度扭曲的多个图像。当来自吸积盘的光线到达光子球时，它会绕黑洞多次运动，然后才会逃逸到地球上的观察者。随着这些光环靠近黑洞，它们变得越来越薄弱。
粒子喷流
黑洞粒子喷流：插图展示了一个厚厚的吸积盘，它在一个靠近巨大黑洞的恒星被摧毁后形成。来自恒星的碎片坠入黑洞，形成一个厚厚的热气混乱的盘状结构。接近吸积盘的物质被重定向，形成了一束高速粒子的细流，喷涌在黑洞上方。图：NASA
从黑洞以接近光速的速度远离的物质流称为粒子喷流。黑洞的粒子喷流受到多普勒增强效应的增强。在任何大小的黑洞的吸积盘内缘附近，向着黑洞前进的少量物质可能会突然被重定向为朝着相反方向的喷流。
天文学家尚未完全理解粒子喷流。超大质量黑洞的粒子喷流长度可以达到数十万光年。有时，粒子喷流可能与我们的视线对齐。这有助于天文学家通过多普勒增强轻松检测到近端的喷流，而远离我们的喷流则由于多普勒增强而变得暗淡。