黑洞

历程

1783年，一位名叫约翰-米歇尔的英国牧师写道，某物可能非常重，你必须以光速前进才能摆脱其引力。重力会随着物体的变大或变重而变强。对于一个小东西，比如火箭，要想从一个更大的东西，比如地球上逃脱，就必须摆脱我们的引力，否则它就会掉回来。它为了摆脱地球引力而必须向上移动的速度叫做逃逸速度。更大的行星（如木星）和恒星有更大的质量，比地球有更强的引力。因此，逃逸速度要快得多。约翰-米歇尔认为，有可能某个东西大到逃逸速度会比光速还快，所以即使是光也无法逃逸。1796年，皮埃尔-西蒙-拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）在他的《世界体系论》（Exposition du système du Monde）一书的第一版和第二版中推广了同样的观点（后来的版本中删除了）。

一些科学家认为米歇尔可能是对的，但另一些科学家认为，光没有质量，不会被引力拉动。他的理论被遗忘了。

1916年，阿尔伯特-爱因斯坦写了一个关于万有引力的解释，叫做广义相对论。

• 质量导致空间（和时空）弯曲，或曲线。移动的东西会"沿着"空间的曲线落下，或者说跟着曲线走。这就是我们所说的引力。
• 光总是以同样的速度传播，并且受到引力的影响。如果它看起来改变了速度，那其实是沿着时空的曲线在行进。

几个月后，德国物理学家卡尔-施瓦茨希尔德在第一次世界大战中服役时，用爱因斯坦的方程证明了黑洞可能存在。1930年，Subrahmanyan Chandrasekhar预言，比太阳重的恒星在耗尽氢气或其他核燃料燃烧时可能会崩溃。1939年，罗伯特-奥本海默（Robert Oppenheimer）和H-斯奈德（H. Snyder）计算出，一颗恒星至少要有太阳质量的三倍才能形成黑洞。1967年，约翰-惠勒第一次发明了"黑洞"这个名字。在此之前，它们被称为"暗星"。

1970年，斯蒂芬-霍金和罗杰-彭罗斯表明，黑洞一定存在。虽然黑洞是不可见的（看不见），但落入其中的一些物质却非常明亮。

黑洞的形成

引力崩塌

巨大(高质量)恒星的引力坍缩导致"恒星质量"黑洞。宇宙早期的恒星形成可能导致了非常巨大的恒星，这些恒星在坍塌时将产生高达^103个太阳质量的黑洞。这些黑洞可能是大多数星系中心的超大质量黑洞的种子。

引力坍缩中释放的大部分能量都会很快释放出来。远处的观测者看到坠落的物质速度变慢，并在事件地平线上方停住，这是由于引力时间膨胀的缘故。在事件地平线之前发出的光被延迟了无限长的时间。所以观察者永远看不到事件地平线的形成。相反，坍塌的物质似乎变得更暗，越来越红移，最终消失。

超大质量黑洞

在已知的宇宙中，几乎每一个星系的中间也都发现了黑洞。这些黑洞被称为超大质量黑洞（SBH），是最大的黑洞。它们在宇宙非常年轻的时候就形成了，也帮助形成了所有的星系。

类星体被认为是由引力将物质收集到遥远星系中心的SBHs中。光无法逃出类星体中心的SBHs，所以逃逸的能量是在事件地平线外通过引力应力和对进入物质的巨大摩擦力而产生的。

在类星体中测量到了巨大的中心质量（¹⁰⁶至¹⁰⁹太阳质量）。附近的几十个大星系，没有类星体核的迹象，但它们的核中含有一个类似的中央黑洞。因此，人们认为所有的大星系都有一个黑洞，但只有一小部分是活跃的(有足够的吸积力为辐射提供动力)，因此被看作是类星体。

对光线的影响

在黑洞的中间，有一个引力中心，叫做奇点。因为引力阻止了任何光线的逃逸，所以不可能看到它。在这个微小的奇点周围，有一个很大的区域，通常会经过的光线也会被吸进去。这个区域的边缘被称为事件视界。事件界线以外的区域就是黑洞。黑洞的引力越远越弱。事件地平线是离中间最远的地方，那里的引力仍然足够强大，可以捕捉光线。

在事件地平线之外，光和物质仍然会被拉向黑洞。如果一个黑洞被物质包围，物质会在黑洞周围形成一个"吸积盘"（吸积的意思是"聚集"）。吸积盘看起来就像土星环一样。当它被吸进去的时候，物质会变得非常热，并向太空中射出X射线辐射。把它想象成水在落入黑洞之前围绕着黑洞旋转。

大多数黑洞离我们太远，我们无法看到吸积盘和喷流。知道黑洞存在的唯一方法是通过观察恒星、气体和光在黑洞周围的表现。在黑洞附近，即使是像恒星一样大的物体也会以不同的方式移动，通常比没有黑洞时的移动速度更快。

由于我们看不到黑洞，所以必须用其他方法来探测。当黑洞从我们和光源之间穿过时，光线会围绕黑洞弯曲，形成镜像。这种效应被称为引力透镜。

艺术家的形象：一个黑洞正在拉开附近恒星的外层。它被一个能量盘包围着，能量盘正在产生辐射的喷射。


爱因斯坦十字星：一个类星体的四幅图像

霍金辐射

霍金辐射是由黑洞发出的黑体辐射，由于事件地平线附近的量子效应。它是以物理学家霍金的名字命名的，他在1974年为它的存在提供了理论论证。

霍金辐射降低了黑洞的质量和能量，因此也被称为黑洞蒸发。这种情况的发生是因为虚拟粒子-反粒子对。由于量子波动，这时其中一个粒子落入，而另一个粒子则逃脱了能量/质量。正因为如此，黑洞损失的质量大于通过其他方式获得的质量，预计会缩小并最终消失。微型黑洞（MBHs）被预测为比大型黑洞更大的辐射净发射体，应该会更快地收缩和消散。