谢选骏全集网络更新

谢选骏（Xie Xuanjun 1954年－），中国旅美学者、自由撰稿人。1978年凭借著文革前连小学都未毕业的学历，考入中国社会科学院研究生院，是当时中国年龄最小的研究生之一。1981年毕业，获得硕士学位。主要研究内容集中在哲学、历史、神话、宗教。1987年受邀参与中央电视台政论纪录片《河殇》的撰稿工作,1988年完成第一稿，1989年六四事件后，《河殇》遭到禁播、查封、批判，幷被定为“反革命暴乱的蓝图”——谢选骏也因参与《河殇》的制作过程而受到牵连入狱，以后不能继续举办讲座、发表文章、出版书籍。但谢选骏没有选择放弃，相反，用了三十五年时间，孤军奋战至今——完成《谢选骏全集》三百六十卷。其中的主要著作为《神话与民族精神》、《五色海》、《天子》、《新王国》、《现代南北朝的曙光》、《全球政府论》、《思想主权》、有关基督教的十卷书籍，以及《外星看地球》60卷、《硅基時代》60卷。其中谢选骏自认最有创见的著作是《思想主权》，他把《思想主权》比喻为其著作的塔尖——因为【思想主权】的概念，来自圣经记载的【神说：“要有光。”就有了光。】【【以上是对于《维基百科》的修正。】】

2021年8月29日星期日

谢选骏全集第169卷：黑洞内外

黑洞内外

Inside and Outside the Black Hole

《宇宙朝圣》第九卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Nine

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第169卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 169

（另起一页）

内容提要

“暗能量掌握了宇宙的终极命运”——这也许不是一个疑问，而是一个答案。因为“看不见摸不到的暗能量”，似乎更能接近圣经所说的“有眼却不能看，有耳却不能听”的上帝真理。于是在我看来，并非看不见摸不到的暗能量掌握了宇宙的终极命运，而是看不见摸不到的暗能量更加接近掌握了宇宙的终极命运的上帝旨意。

Synopsis

"Dark energy has mastered the ultimate destiny of the universe"-this may not be a question, but an answer. Because "the dark energy that cannot be seen or touched" seems to be closer to God's truth that the Bible says that "have eyes but cannot see, and ears but cannot hear". So in my opinion, it is not the invisible dark energy that controls the ultimate destiny of the universe, but the invisible dark energy is closer to the will of God that controls the ultimate destiny of the universe.

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导论1、爱因斯坦的相对论不再适用

导论2、暗能量更加接近上帝的旨意

导论3、从大爆炸到膨胀都是人的观念

导论4、黑洞很像人的生育过程

导论5、宇宙黑洞就是“中央——权力核心”

导论6、黑洞就像主权国家的暴君

导论7、假说就是神话的回声

导论8、诺贝尔奖和剑桥大学都是强盗委员会

导论9、太初黑洞是一个宗教概念

导论10、特斯拉的宇宙数据库就是黑洞

001、“黑洞=暗物质”方程式能否成立？

002、2020年十大黑洞发现

003、5000万光年外发现迄今最大黑洞是太阳68亿倍

004、NASA观测到两个交互星系形成一个巨大黑洞环

005、NASA最新模拟黑洞视觉效果恒星呈现两个镜像

006、暗能量

007、暗世界：黑暗、黑夜、黑洞、暗物质及暗能量

008、暗物质

009、白矮星

010、白洞是特殊天体

011、白洞已经被发现？那么未来穿越时空将变为现实

012、参宿四可能发生爆炸？体积大约是太阳7亿倍，有望看到恒星大爆炸

013、超大质量黑洞，将物质吸积到环核圆盘，然后以接近光速释放能量！

014、地球附近星爆星系中心出现超大质量黑洞种子

015、超大质量黑洞可由暗物质直接形成

016、超级计算机模拟实验：核聚变反应和黑洞探戈

017、超新星——恒星演化过程中的一个阶段

018、超新星1987A

019、超新星爆发

020、虫洞是连结两个遥远时空的多维空间隧道

021、掉进黑洞既可“逃逸”，也能“穿越”？

022、反物质

023、关于黑洞，你一定要知道的物理知识！

024、黑洞是时空曲率大到光都无法逃脱的天体

025、黑洞是特殊天体

026、黑洞、白洞、虫洞的关系是什么？

027、黑洞悖论

028、黑洞不论大小辈分，“吃相”都一样！

029、黑洞的质量上限是多少？

030、黑洞定律

031、天文学家可能终于得到第一张黑洞影像！

032、黑洞喷射能量形成银河系中心两巨型气泡

033、黑洞始终处于“饥饿状态” 仅吞噬微量恒星风

034、黑洞首图亮相人类之前的猜想是对是错

035、黑洞也可以有行星，平均每个黑洞有100万行星

036、黑洞引力能把恒星撕碎，拉成一长条面，能绕黑洞一整圈！

037、黑洞有可能被摧毀吗？

038、黑洞与暗物质的相互作用研究取得系列进展

039、黑洞蒸发理论

040、黑洞资讯悖论

041、科学家发现双黑洞吞噬恒星罕见现象

042、科学家发现距地球600万光年的恒星级黑洞

043、科学家发现双黑洞同时进行两次吞噬现象

044、欧洲南方天文台拍摄美丽“室女座之眼”星系

045、科学家首次证明粒子碰撞可制造黑洞吞噬地球

046、来无影去无踪的暗物质终现身？科学家震惊

047、哪里的食物？125亿年前的黑洞疯狂长大

048、彭罗斯与黑洞

049、绕白矮星旋转的巨行星首次发现，证明大质量行星可在恒星塌缩后继续“生存”

050、人类史上首张黑洞照片公布

051、人类是怎样“看见”黑洞的

052、人类首次“看见”的那个黑洞有“指纹”了

053、如果银河系中心存在虫洞，如何检测到它？

054、斯皮策太空望远镜发现宇宙最原始黑洞

055、所有恒星都逃不出三个宿命：白矮星、中子星、黑洞

三体引力波

056、超大质量黑洞“剥离”恒星气体促使星系死亡

057、天文学首见证黑洞1分钟吞噬中子星

058、挑战爱因斯坦，霍金：掉到黑洞能逃得出来

059、新生黑洞或是产生伽马射线爆炸的“主谋”

060、银河系外围发现恒星带如漂在暗物质海洋上2021年4月21日《自然》（Nature）期刊

061、宇宙“黑洞反作用”将影响星系的演变

062、宇宙早期本不该出现超大质量黑洞，除非……2021-02-13 王昱NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

063、宇宙中可能存在“巨大黑洞”，比星系中央的“超大质量黑洞”还大

064、原始黑洞是否可能是暗物质？

065、在家模拟黑洞，只需要一个浴缸

066、轴子，暗物质和中子星：如何找到世界上最神秘的物质

067、最强“蝴蝶效应”：一个粒子引发的黑洞诞生

068、超新星爆发到底有多危险？近地超新星一旦爆发，真的能毁掉我们吗？

069、第一个黑洞的发现远比我们想象的大

070、第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星shn117

071、多次濒临夭折的哈勃望远镜，曾被称作15亿的错误，它是如何复活的

072、发现一原行星盘中有神秘马蹄形结构

073、关于黑洞你不知道的9件事情

074、光速正好是30万公里每秒，是巧合还是设计出来的？

075、恒星死亡现场

076、红移

077、类星体（类似恒星的天体）

078、六大宇宙极端黑洞：最小黑洞跨度仅24公里

079、落入黑洞会发生什么？你死了但同时你活着

080、美新发现黑洞实际年龄已5000万岁为地球近邻

081、你是第一批“看见”黑洞的人类！

082、迄今为止！这是发现的最奇怪、最不可思议的行星！就在这里

083、强势围观！一颗奇怪的双瓣彗星，它为何会这样呢？

084、强势围观！幽灵粒子旅行7.5亿光年，最终被埋在南极冰层下

085、人类首张黑洞照片的三大看点

086、神秘圆环显身，天文学家也不能解释，它们到底是什么？

087、十二个著名宇宙黑洞：星系中心隐匿超大黑洞

088、事实证明，您可以从黑洞中得到一些东西，但这并不容易

089、天文学家刚刚发现黑洞可以打嗝而且一连二次

090、为什么黑洞是宇宙中最可怕的东西

091、吸积盘

092、详讯：钱得拉望远镜发现地球附近最年轻黑洞

093、新粒子？缪子实验或揭示“神秘的力”

094、在1800光年之外，发现一颗特殊的造父变星，脉动周期达1.49天！

095、彗星比我们想象的更危险

096、真的！银河系中心有黑洞

097、中子星

098、中子星密度极大，一立方厘米上亿吨，这是什么概念？

099、中子星内部是什么？

100、最遥远的类星体，130亿年前的光，给现在的我们带来什么？

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黑洞内外

Inside and Outside the Black Hole

《宇宙朝圣》第九卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Nine

【导论1、爱因斯坦的相对论不再适用】

《揭秘黑洞：掉进黑洞会发生什么？你会死去但还活着？》（2021-05-18 宇宙时空举报）报道：

如果你掉进黑洞会发生什么？你可能会死，也可能不会！

事实上，黑洞不是一个洞，也并非是黑色。理论上讲，黑洞是一个区域空间，拥有令人难以置信的强大引力，不管怎么说，它都是完全看不见的东西，所以我们称其为黑色。

总的来讲，黑洞的工作原理就像是一个巨大的球形真空吸尘器，会吸收经过它边界的一切事物。所谓的外太空边界消失即是黑洞开始衍生，甚至在真空中，我们知道的宇宙中最快粒子也无法逃离黑洞的引力。

如果一些难以置信的偶然事件发生在黑洞的影响之下，事情可能会变成这样。

如果我在黑洞的边缘落脚，那么我的头会飞得很远，会比离黑洞更近的脚收到的吸引力少得多，这不是什么好事。就像在古老的刑架上一样，我会被拉得非常细长，这样的伸展下我的头很可能飞出去。

接着会看见奇点，黑洞的中心部分，那里发生的所有奇怪的，不合常理的，疯狂的事。说简单点，爱因斯坦的相对论在那里不再适用，那里既没有法则也没有规定，我们对空间和时间的所有理解还存在着，但有些完全不同的，不属于我们视界的。

我们的宇宙还依靠必然的法则和概念存在，但那个奇点世界轻松忽略了一切法则，独自存活，并且我们对它一无所知。所以理论上，当我们靠近奇点，我已经被拉长的身体会继续拉长，并继续横向缩小，但是各个部分会分散消失。而且最有趣的是，在我后面的人会看到我永远地生活在了黑洞边界，但对我来说却不是这样，所有事情只发生在顷刻间。

还远不止这样。可能带给我的死亡却会有重大意义。黑洞边界，也叫史瓦西半径，是以第一个用数学公式描述黑洞的科学家的名字命名的。让人疯狂的黑洞不止有以上特征，有理论认为，如果有黑洞存在的话，那么一定会有白洞存在。

白洞，几乎和黑洞完全相同，只是反过来而已，它不具有吸引力，只从自身散发出物质。如果你在你的世界进入了黑洞，那么将会在另一个世界从白洞出来，有个小问题，你无法回到原来的世界，虽然在这一点上和你无法生存没有区别。不管怎样，你可能已经被简化成了细长的基本粒子。

从这个意义上，至少理论上来说，会形成隐形传态。在我们的多元宇宙，有很好的黑白两洞组合，就像为不同宇宙之间提供单向门。同样的一个洞，在我们的世界是黑洞，而在另一个世界却成为白洞，这些看起来荒谬的说法也叫虫洞与量子间的隐形传态，或者是黑白洞。

在理论上，普通的和不寻常的黑洞都存在，它们都有在宇宙间传送物体的特殊性能，这就是所谓的黑白洞。

但在实践中得不到任何验证，因为没有人能亲眼看到这些。举个例子，为了抓拍到超级黑洞的照片，比如在我们银河系中心的超大质量黑洞，我们需要一个强大望远镜，具有难以置信的透镜直径，差不多比得上我们地球的直径，显然我们不可能造出这样的望远镜。

所以科学家们绞尽脑子想出其他的方法，去勾勒出一个真实的黑洞模样。这些年我们见到的黑洞图像实际上多是艺术诠释，是一些艺术家们的远见，而不一定与现实对应。

而在两年之前，科学家终于得到了人类历史上第一张黑洞照片。

在整个银河系中已经发现大概有数十个星体表现得很像黑洞。而在我们银河系中心部位的神秘物体很可能也扮演着黑洞的角色，质量大约有四百万个太阳的质量，并且黑洞边界的半径大约为100万千米。

在著名的大型星体M87的中心，是另一个著名的黑洞，大约有40亿个太阳质量，对应的半径约为1亿千米！

所以，黑洞不仅仅只是可能，会有越来越多的科学家去证明这一点。但黑白洞，或者虫洞，从另一方面来说是比独角兽，精灵更加稀有，更加神秘的存在，理论上它们也是可能存在的，但我们一点证据也拿不出来，只是简单的猜想黑洞！但不管它是什么，或是你觉得它是什么，都绝对比说这些是胡扯虚构的有意义很多！

谢选骏指出：“爱因斯坦的相对论在那里不再适用”，那才比较接近宇宙的真相。正如即将众所周知的那样，爱因斯坦的相对论不过是一种伪科学。

【导论2、暗能量更加接近上帝的旨意】

《暗物质与暗能量是什么？看完秒懂》（2016-06-12 怪罗科普）报道：

宇宙科普暗物质

我们所熟知的物，原子、恒星、星系、行星、树、岩石，以及我们，但这些物质占整个宇宙不到5%。在整个宇宙中，大约25%是暗物质，70%是暗能量。

但是，暗物质与暗能量都无法被观测到。这听起来有点奇怪，这表示我们所接触到的世界只占了极其微小的部分。

更糟糕的是，我们对暗物质与暗能量究竟是什么、如何运作毫无头绪。

我们非常确定它们是存在的，为什么呢？

暗物质使星系稳定存在。

我们开始分析宇宙的结构时，发现能被观测的“普通物质”并不足以令宇宙维持稳定存在。来自“普通物质”的重力不足以形成星系这样的复杂结构，恒星间会更为松散，并四处散布，这将导致星系无法形成。

因此，我们确信一定有某种东西在维系星系的结构。某种东西，它不发射光，也不反射光，所以称作“暗”。

除了能计算到暗物质的存在以外，我们还能看到它的微小迹象。高浓度暗物质的地方会使经过它的光线扭曲，因此我们确信有东西在那儿，并且会与重力作用。

现在，对于暗物质是什么有进一步认识，那么它究竟是什么？

我们知道暗物质并非一团无光源的普通物质，因为普通物质会放射出我们能观测到的粒子。暗物质也不是反物质，因为反物质会与普通物质反应，并放出特殊的γ射线。暗物质也不是由黑洞所构成。黑洞是种紧密的物体，且会剧烈影响周围环境，但是暗物质似乎是零星散布在整个宇宙。

基本上，我们目前对于暗物质只能确定三件事：一、有东西就在那里。二、它会与重力作用。三、它们有很多很多。

暗物质有可能是由某种复杂又特殊的粒子组成，这种粒子不会与光、普通物质反应，但目前我们真的不了解它到底是什么。

暗能量又更奇怪与神祕：我们无法检测它、无法测量它、无法触碰它，但我们却能非常清晰地看到它造成的影响。

1929年，美国天文学家爱德温·哈勃（Edwin P. Hubble）透过研究遥远星系发出的光的波长，发现光经过宇宙后出现红移现象。哈勃发现较黯淡、较遥远的星系会出现较大的红移，距离近些的星系则出现红移的幅度则小些。

哈勃肯定地认为会出现红移现象是因为宇宙正在膨胀，红移的出现，是因为光的波长随宇宙膨胀而被拉伸。近几年的研究报告显示宇宙的膨胀正在加速。

在此之前，人们认为重力将使宇宙膨胀减缓，甚至坍缩回一个点。空间并没有因为膨胀而改变它的性质。宇宙膨胀就只是让空间变得更多！年轻的新空间一直在宇宙所有地方新生。

星系是一种通过引力紧密集群的东西，因此身处星系中的我们不会感受到宇宙膨胀，但我们仍能在任何地方看到膨胀的影响。无论何处，宇宙中随时都有新的空间在形成。因此，暗能量似乎是某种空无空间里固有的能量。

暗能量，比任何东西都要强大而且日益增强，空无空间中的能量比起宇宙其他所有东西的总和还要多。

我们对于暗能量可能是什么有多种猜测。

一种猜测是暗能量并非某种事物，它只是空间的特性。空无空间并非“虚无”，它拥有自己的能量。空无空间可以产生更多空间，而且相当活跃。因此当宇宙在膨胀时，空无空间使更多空间出现并填补缺口，造成宇宙加速膨胀。这个猜测接近爱因斯坦在1917年对宇宙常数概念的想法。

另一种猜测是空无空间充斥着一种暂时且虚无飘渺的粒子，它会不断从一无所有形成，然后再消失回一无所有。这些粒子的能量可能就是暗能量。

或是另一种猜测：暗能量是种未知的动态能量流体或是力场，它渗入了整个宇宙。但不知何故，它有与普通物质、普通能量相反的效果。如果真是如此，我们并不知道怎么、在哪探测到它。所以目前还有许多问题待解决。

我们关于暗物质、暗能量的理论仍处于理论阶段。一方面而言，这挺令人泄气的；另一方面，因为这是最前端的科学，因此使人兴奋。

不过，这也意味着无论我们多么认为自己是万物之王，但其实只是活在宇宙中的脆弱小岛并会使用智能手机的猿人而已。

因此，去仰望这片星空，追寻宇宙运转的真理吧！

《暗物质和暗能量物理学天空这两朵乌云何时才能消散》（2019-11-14 09:31:39 来源：科技日报）报道：

“像20世纪初一样，21世纪初的物理学天空也存在两朵乌云，它们是暗物质和暗能量。”近日，中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所原所长陈和生在2019年国际暗物质日北京地区活动上如此感慨。

出现与引力理论不一致现象

1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出了物质间的万有引力定律。200多年后，爱因斯坦于1916年发表了广义相对论，把牛顿的引力理论推广到适用高速运动的物体。牛顿和爱因斯坦的引力理论一直被人们奉为圭臬。

“然而，上世纪20年代起，越来越多的天文观测表明，在星系到宇宙的尺度存在一些与牛顿和爱因斯坦的引力理论不一致的现象。”陈和生说道。

天文学家观测发现，旋涡星系的旋转曲线并没有按引力理论预言的那样，在星系的发光区域以外迅速下降，而是平缓地延伸。在银河系所有的星球都绕银心转动，根据牛顿的万有引力，太阳转动的速度和银河系的质量以及太阳离银心的距离直接相关，可以推出太阳的转动速度为每秒170千米，但是实际测量的结果却是每秒220千米—250千米。

究竟是什么致使引力理论失灵了呢？宇宙中还存在我们不知道的神秘魅影？

对宇宙中95%物质一无所知

为了解释这种现象，科学家推断旋涡星系里必定有我们看不见的暗物质。还有很多其他的天文观测证据也表明有暗物质存在。宇宙微波背景辐射观测实验的结果给出了暗物质在宇宙物质总量的比例。在宇宙中，普通物质只占4.9%，暗物质占到26.8%，暗能量占到68.3%。

“这个结果是相当惊人的。粒子物理的基本理论‘标准模型’正确地解释了几乎所有的实验现象，20世纪60年代以来，与之相关的研究获得了18次诺贝尔物理学奖。但这个成功的理论只能解释宇宙中不到5%的物质，而对剩下的95%一无所知，我们成了井底之蛙。”陈和生说。

那么，我们一无所知的暗物质到底是什么？物理学家还不知道。他们猜测，暗物质是一种具有弱相互作用的重粒子，它比氢原子要重几百倍甚至几千倍。

对于这种既看不见也摸不着的暗物质，科学家们正在努力寻找它们。“暗物质寻找是近三十年国际粒子物理实验的热点之一，主要通过三类实验来寻找暗物质粒子。”陈和生告诉记者。

三类实验正在搜寻暗物质粒子

第一种类实验是在超高能对撞机上产生暗物质候选粒子，在欧洲的大型强子对撞机上有很多科学家从事这样的工作，其中包括很多来自中国科研院所和高校的科学家。

“‘对撞’只是一种寻找暗物质的方法，科学家还在‘上天’‘入地’寻找暗物质。所谓‘上天’，就是在外层空间间接探测暗物质，暗物质粒子可能会湮灭，产生普通物质对，如正负电子对。可以通过测量宇宙线正电子来寻找暗物质，比如华人诺奖获得者丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪实验；也可以通过测量宇宙线电子加正电子来寻找暗物质，比如我国的‘悟空’卫星实验。”陈和生说道。

而“入地”寻找暗物质，则是通过深地实验直接探测暗物质粒子。暗物质粒子可能与普通物质发生概率极微小的碰撞，并把原来静止的原子撞得“飞起来”。撞“飞起来”的原子就可以被观察到了，这就是直接探测。陈和生把这种探测方法比作“守株待兔”，暗物质粒子是兔子，普通物质的原子就是株。

实际上，即便这三类实验之一发现了暗物质的候选粒子，确认它就是宇宙中的暗物质也是一项极为艰巨的任务。陈和生强调，三种实验或至少两种，必须相互验证，才能确认这种粒子的存在，这需要理论和实验物理学家以及天文学家密切合作，共同努力。（记者陆成宽）

《暗物质和暗能量会是一回事吗？》（2021-02-09 宇宙解码）报道：

当谈到宇宙时，您可以轻松地看到的并不总是能反映所有的一切。这是理论和观察/测量需要齐头并进的重要原因之一：观察可以告诉我们最好的测量能力所处的条件，而理论使我们可以将预期发生的结果与实际发生的事情进行比较看过。当它们匹配时，通常表明我们对实际发生的事情有了很好的了解。但是，如果它们它们做不到这一点，则表明正在发生以下两种情况之一：要么我们正在采用的理论规则不适用于这种情况，要么还有其他因素导致我们的观察结果没有直接揭示出来。

宇宙中许多最不匹配之处——我们所观察到的与我们仅根据所见所期望的不匹配——指向另外两个成分：暗物质和暗能量。但它们真的能是同一枚硬币的两面吗？我们通常不会将暗物质和暗能量集成在一起，但这并非完全超出可能性范围。以下是对该问题的答案。

在宇宙中有各种各样的谜题值得思考，但是在最大的宇宙尺度上，每个谜题本质上都是引力问题。问题是这样的：我们认为我们知道我们的引力理论是什么，因为爱因斯坦的广义相对论只是一次又一次地通过测试。无论我们抛出什么现象，这个违反直觉的理论所预测的结果都与我们观察到的结果完美匹配。

我们所看到的质量弯曲光，其精确量是爱因斯坦的理论所预测的：从太阳系中太阳弯曲的星光，到巨大的星系、类星体和引力透镜背景光的星系团。

我们看到的引力波具有爱因斯坦理论预测的精确频率和振幅，可以合并黑洞并激发中子星。

爱因斯坦的成功历程很长，从引力的红移到惯性系拖曳（Lense-Thirring）效应，再到双系统轨道上的黑洞的进动到引力时间的膨胀等等。从地球上的实验到太阳系内的观测，再到数十亿光年以外的信号到达，我们都想出了对广义相对论进行的每项测试，所有这些都表明在每种已知情况下它都是正确的。

当我们采用引力理论并将其应用于整个宇宙时，我们得到了一组方程，揭示了一个非常重要的关系。它们告诉我们，如果您知道宇宙是由什么组成的，广义相对论可以为您预测宇宙的行为和演化方式。您可以用您梦寐以求的东西从字面上使您的宇宙成为现实，包括正常物质、辐射和中微子等常规成分，这些成分是由标准模型中的粒子制成，再加上黑洞，引力波甚至是假设性物质诸如暗物质和暗能量之类的实体。

这些不同的成分以不同的方式影响宇宙，这很容易理解。您所要做的就是想象一下宇宙，就像它在更早、更热、更密集，更统一时一样，并描绘出随着时间的推移它将如何演变。随着时间的流逝，宇宙将膨胀，但是随着这种情况的发生，不同种类的能量将表现出彼此不同的行为。

例如，随着宇宙的膨胀，正常物质将变得更加稀薄：物质粒子的数量保持不变，但其占据的体积增加，因此其密度降低。但是，这也会吸引人，这意味着密度稍高于平均水平的空间区域将比其他区域优先吸引更多的周围物质，而密度稍低于平均水平的区域则倾向于把它们的事情交给周边地区。随着时间的流逝，宇宙不仅变得越来越稀，而且随着时间的流逝，它开始首先在小尺度上生长出密集的结构，然后在更大的尺度上生长。

另一方面，随着宇宙的膨胀，辐射不仅会变得更稀，而且会失去能量。这是因为光子的数量（例如质子，中子或电子的数量）也是固定的，因此随着体积的增加，数量密度会下降。但是，随着宇宙的膨胀，每个光子的能量（由其波长定义）也将减少。当任意两点之间的距离延长时，穿过宇宙的光子的波长也会随之增大，从而使其失去能量。

当我们观察宇宙中的星系、星系群和星团，甚至是形成了数十亿年的巨大的宇宙网时，我们可以检查：

它们的内部特性，例如恒星、气体和其中的其他成分根据与中心的距离而变化的速度，它们的聚类属性，例如您有可能在距任何给定星系一定距离处找到另一个星系，从它们引起的引力效应（例如引力透镜）推断，它们有多大，构成这些物体的正常物质位于何处（以及多少），包括气体、尘埃、恒星、等离子体等。当我们这样做时，我们发现我们观察到的物质——所有应存在于宇宙中的正常物质、辐射以及所有其他标准模型粒子——不足以解释我们观察到的物质。从每个星系的旋转速度到星系团内单个星系的运动，再到宇宙中星系的大规模星团，再到宇宙的整体质量密度，总的来说，那里存在太多的质量，大约是600％的因子，仅用正常物质即可解释。

所有这些观察到的现象都是非常真实的，因为我们无处不在的例子发生在无数的物体中，而且很少有物体在当前的正常物质和引力作用之间没有表现出这种不匹配。但是，我们有点幸运，因为只有一种成分，如果我们将其添加到宇宙中，则可以使所有这些内容恢复一致：暗物质。

如果除了正常物质之外，您还添加了以下另一种成分：

寒冷，这是因为宇宙在很小的时候就相对于光速缓慢移动，无碰撞，即它不会与正常物质、辐射或其他暗物质粒子发生碰撞并交换动量，黑暗，因为它对辐射和正常物质是不可见和透明的，所有这些现象以及许多其他现象突然与爱因斯坦引力的预测一致。少数“引力”改良阵营的人们提出了许多论据，这些论点解释了其中的一些现象——修正牛顿引力理论MODified Newtonian Dynamics，简称MOND），解释了许多在小宇宙尺度上发生的现象（几百万光-年或更短的时间）甚至比暗物质还要好，甚至更好——但您进行的任何修改也都必须包括暗物质或看起来与暗物质毫无区别的事物。它使暗物质成为存在于我们宇宙中的新奇的极具吸引力的候选者。

但是，还有另一个重要的证据，我们尚未讨论：宇宙微波背景。如果您在炎热的大爆炸的最早时刻开始模拟宇宙，并添加我们期望在那里存在的成分，您会发现到宇宙膨胀和冷却到足以形成中性原子的时候，在“大爆炸”的剩余辉光中将出现一种与温度成比例关系的温度波动模式：辐射的热浴池，该热浴池目前已红移为微波波长。

辐射本身最早是在20世纪60年代中期发现的，但要测量几乎均匀的背景下的缺陷是一项艰巨的任务，因为天空最热的区域仅比最冷的区域温暖约0.01％。直到20世纪90年代，我们才真正开始使用COBE卫星来测量这些原始的宇宙缺陷，然后由威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和普朗克望远镜（Planck）再次测量。今天，我们已经测量了九个不同波长带中整个微波天空的温度，精确到接近微开尔文（微开尔文），甚至小至0.05摄氏度。我们所拥有的数据只能只能用精致来形容。

在上图中，您看到的这种波动模式对您的宇宙非常敏感。各个波峰和波谷的大小和位置告诉我们宇宙中的事物，并且还排除了与数据不一致的宇宙模型。例如，如果您仅使用正常物质和辐射来模拟一个宇宙，那么您只会得到我们看到的峰和谷的一半左右，再加上峰的角度范围太小，加上温度波动为幅度要大得多。对于这组观察，需要暗物质。

但是，除了暗物质，还需要其他一些东西。如果您将所有已知的正常物质、暗物质、辐射、中微子等都带入宇宙，那么您会发现，这仅占必须存在的全部能量的三分之一给我们这个从宇宙接收的数据集。必须存在另一种其他形式的能量，并且与暗物质或正常物质不同，它不能聚集在一起。无论这种形式的能量是什么——并且需要使宇宙微波背景与我们的观测结果相匹配——除暗物质外，它还必须存在。

暗物质和暗能量的行为截然不同，但是它们在任何已知的直接检测方法都看不见的意义上都是“暗”的。我们可以看到它们的间接影响——对于暗物质，对宇宙形成的结构有影响。关于暗能量，关于宇宙如何膨胀以及宇宙中的辐射如何演化，但是它们的行为截然不同。最大的区别是：

暗物质成团块分布，而暗能量似乎在整个空间中平稳分布，随着宇宙的膨胀，暗物质的密度降低，但暗能量的密度保持不变，暗物质可以减缓宇宙的膨胀，而暗能量则可以有效地使遥远的星系在退离我们时似乎在加速。

您总是可以创建暗物质和暗能量的“统一模型”，许多物理学家都这样做了，但是绝对没有令人信服的动力。如果您认为存在，则必须针对以下问题提供令人信服的答案：

“为什么要引入一个新的，具有两个自由参数的统一组件，而不是引入两个独立的组件，为什么它更具吸引力呢？一个参数用于解释“暗物质”效应，另一个参数用于解释“暗能量”效应。彼此独立发展？”

当我们根据时间的相对重要性（根据它们所占能量密度的百分比）观察暗物质和暗能量如何演变时，这个问题显得尤为尖锐。从宇宙几万年的历史到大约70亿年的历史，暗物质约占宇宙能量密度的80％。在过去的约60亿年中，暗能量已成为宇宙膨胀的主导力量，目前约占宇宙能源总量的70％。

随着时间的流逝，暗能量将变得越来越重要，而包括暗物质在内的所有其他形式的能量将变得微不足道。如果暗物质和暗能量以某种方式相互关联，那么鉴于我们对自然的当前理解，这种关系是微妙的，对物理学家而言并不明显。对于暗物质，您必须添加一种会结块但不会碰撞或施加压力的其他成分。对于暗能量，该成分不会结块或碰撞，但会施加压力。

它们有关系吗？我们不能肯定地说。在我们有证据表明这两件事实际上某种程度上相关之前，我们必须采取保守的方法。暗物质形成并结合了最大的结合结构，但暗能量将这些单个结构推开。后者是如此成功，以至于在1000亿年左右的时间里，我们可见的宇宙所剩下的只是银河系的本地群。除此之外，只有一片空虚的虚无，没有其他星系在数万亿光年的情况下可见。

《宇宙学地震！暗能量根本不存在？》（2020年02月27日环球科学）报道：

我们的宇宙由普通物质、暗物质和暗能量组成——自从20世纪末，天文学家发现宇宙在加速膨胀以来，“暗能量”的概念早已深入人心。暗能量存在的直接证据，依赖于对一类特殊超新星的观测研究。但如果这类研究的前提条件都是错的，那么暗能量还存在吗？宇宙是否和我们预期的不一样？现在，韩国延世大学的一项研究就对宇宙学的根基发起了挑战……

1992年4月的一天，赶在满月的明亮光芒遮掩住遥远星空中的光亮之前，加州大学伯克利分校的天体物理学家萨尔·佩尔穆特（Saul Perlmutter）带领团队，将一座位于西班牙拉帕尔马岛的天文望远镜对准了一片遥远的天区。在3周前的新月之夜，这座望远镜也曾指向同一片区域。佩尔穆特要做的，是从相隔3周的两幅观测图片中“找不同”。这一次，他们成功了——第二张图片上多出了一个像素点。进一步的分析确认，这个点正是他们寻找的目标：Ia型超新星。

这两张图片，源自佩尔穆特团队1995年的一次观测。右图箭头所指的亮点，代表了一颗Ia型超新星。这两张图片，源自佩尔穆特团队1995年的一次观测。右图箭头所指的亮点，代表了一颗Ia型超新星。

标准烛光

所谓超新星，是在演化末期剧烈爆炸的恒星。对天文学家来说，Ia型超新星有着特殊的地位。这类超新星的形成，需要白矮星与巨星组成的双星系统：随着白矮星不断吸收巨星中的氢，最终它将不堪重负，内部引发热核聚变，释放的光芒在一瞬间照亮整个宇宙。有趣的是，所有Ia型超新星的质量都是一样的——达到1.44个太阳质量时，爆炸如期而至。正是因为质量相同，这些超新星爆发时的峰值亮度一致。

这样的特征，使得Ia型超新星承担起至关重要的使命：为天文学家寻找宇宙的运动规律。

我们很容易想象这样的画面：一列规格相同的蜡烛在我们面前点燃，这些蜡烛的火焰本身亮度相同，但距离我们越远，在我们眼中就显得更黯淡。同样，这些Ia型超新星也有相同的规律。用天文学的词汇表述，就是Ia型超新星的视亮度（及其变化情况）与距离有着严格的对应关系。因此，它们成为可以用来测定距离的“标准烛光”。

不过，宇宙中的实际情况要比这更复杂。我们的宇宙不是静止的，自138亿年前的大爆炸后，它就在持续向外膨胀。换句话说，所有其他天体都在远离我们而去。类似于多普勒效应，对于正在远离我们的物体，我们看见的光线波长被拉长了，向波长更长的红光偏移。这个现象，就是红移。

但是，天体远离我们的方式是怎样的？是加速，减速，还是保持不变？

Ia型超新星可以给出答案。它们的视亮度对应距离，红移则代表了远离我们的速度。如果我们能获取不同距离处Ia型超新星的亮度、红移数据，就可以绘制出宇宙的膨胀地图。

神秘推动力

佩尔穆特团队正是希望通过这样的关系，明确宇宙是怎样减速膨胀的。没错，当时的科学界相信，引力的存在使得天体间相互吸引，因此宇宙膨胀的速度正在放缓。

但是，符合条件的Ia型超新星难以观测。为了避免局部不均一性的影响，他们要寻找的超新星，与地球的距离都超过了1/3个可观测宇宙半径。因此，他们想到了文章开头的比对观测手段。

在这种观测方法的可行性得到验证后，研究团队获得了包括哈勃望远镜在内的多台强大望远镜的使用权。截至1997年，他们共观测到了42个超新星的数据。

然而，随着距离-红移关系图上的数据点逐渐增多，研究团队却得到了意料之外的结论：宇宙并不是减速膨胀；相反，宇宙边缘正在加速离我们而去。

1998年初，佩尔穆特团队公开发表了他们的结论。几乎同一时间，他们的竞争对手，布莱恩·施密特（Brian Schmidt）和亚当·里斯（Adam Riess）领导的团队也发表了相同的结论。就这样，两支团队的结论相互映衬，为属于物理学的20世纪打出掷地有声的句号：我们的宇宙，正在加速膨胀。

按照目前的认识，宇宙早期减速膨胀，并在约50亿年前开始加速膨胀。

引力在尝试将天体拉进，但宇宙却在加速膨胀。这说明，一定有某种未知的力量推动着宇宙的膨胀。尽管没有人能确定这样的力量究竟是什么，但天文学家们还是定义出一个贴切的名称：暗能量（dark energy）。

现在，这个结论早已成为主流科学界的共识，上述3位物理学家也因此共同获得了2011年的诺贝尔物理学奖。暗能量与普通物质、暗物质共同构成了我们的宇宙，其中暗能量占据了宇宙总质量的约70%。

至于暗能量是什么，目前众说纷纭。其中一种较为主流的理论认为，导致宇宙加速膨胀的“暗能量”源自真空能。根据量子力学理论，真空中存在大量虚粒子对，它们同时生成后，又在瞬间相互湮灭。由此产生的真空能起到排斥引力的效果，推动着空间向外延伸。

此后，另一些研究也从不同的角度（例如宇宙微波背景辐射和重子声波振荡）找到了暗能量存在的间接证据，但这些证据都存在瑕疵。直到现在，支持暗能量理论最牢固的证据，依然是宇宙加速膨胀。

亮度与年龄

但在2020年的第一周，暗能量大厦的根基却遭到动摇。

这个充满勇气的结论，来自韩国延世大学领导的研究团队。

还记得Ia型超新星为什么可以用作测定距离的“标准烛光”吗？因为Ia型超新星的亮度和距离严格对应。这样的结论，是根据数十年观测得出的经验关系。

但是，此前的研究是否遗漏了某些因素？在这篇最新论文中，研究团队就对Ia型超新星进行了一次大规模的“巡检”。

使用智利的2.5米口径拉斯坎帕纳斯天文望远镜，以及位于美国亚利桑那州的6.5米口径多镜面望远镜，研究团队对约60个星系展开了为期9年的高质量光谱观测，观测的信噪比达到175：1。观测对象的选择也相当讲究。这项研究涵盖了绝大多数邻近的早期宿主星系中的超新星——这些早期的星系可以被精确定年。而观测数据量之大，使得研究者有机会发现先前被遗漏的规律。

最终，这些科学家在即将发表于《天体物理学杂志》的论文中，发表了令人惊讶的结论：这些超新星的绝对亮度与恒星群年龄有关，两者之间存在显著的相关性（年轻的超新星亮度较低）。该结论的置信度达到99.5%。

如果这个结论得到后续研究的证实，那么一场天体物理学革命势在必行。最直接的影响是，如果Ia型超新星继续被用作“标准烛光”，研究者需要根据超新星所处的恒星群年龄校正观测结果。

更重要的问题是，此前根据Ia型超新星得出的结论，例如宇宙的加速膨胀，又该如何处理？显然，科学家需要重新审视这些结果。

暗能量不存在？

让我们回顾佩尔穆特的研究。一颗Ia型超新星的红移程度确定了，而它看上去比预期更加黯淡。对于这个现象，之前的解释是：暗能量的存在推动宇宙加速膨胀，因此超新星的距离比预想的更远。

但现在，最新的研究提出了全新的可能性。当我们考虑超新星亮度的演化，此前预测的宇宙运动状态需要改写。或许，宇宙仍然在加速膨胀，但暗能量的比例需要重新计算；又或者，更大胆一点，宇宙没有在加速膨胀，暗能量也根本不存在——所有这一切，都是出于恒星群年龄的差异。

在最新研究中，作者也验证了这种可能性：如果暗能量真的不存在，通过恒星亮度随年龄的演化，也可以模拟出类似的亮度-红移曲线。

根据恒星亮度随年龄的演化（图中红色曲线），也可以模拟出类似的曲线。根据恒星亮度随年龄的演化（图中红色曲线），也可以模拟出类似的曲线。

领导这项最新研究的Young-Wook Lee教授在接受采访时引用了卡尔·萨根的名言：“萨根说，‘非凡的结论需要非凡的证据’，但我不确定对于暗能量，非凡的证据是否存在。我们的结果说明，通过超新星宇宙学推测出的暗能量，或许只是基于错误前提的假象。”

但无论如何，这个结论还需要经过更多后续研究的检验。另外不要忘记，除了来自超新星的证据，暗能量还存在其他间接证据，例如前面提到的宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射告诉我们，普通物质与暗物质不足以填满宇宙的总能量，空缺的部分就属于神秘的暗能量。尽管近期的研究提出了不一样的解释，但同样，更多后续研究不可或缺。

最终，这些新兴观点将通过检验，改写我们对宇宙组成、运动的认识；还是与物理学历史上的大量“重磅宣言”一样，只是一幕很快被人遗忘的花絮？相信不久后，答案将水落石出。

《看不见摸不到的暗能量居然掌握了宇宙的终极命运？①》（光明网2020-03-04）：

已经有138亿年的宇宙，在孕育我们的同时，却又像一个老顽童，总是藏着各种秘密，吸引着我们去一一探知，要说最惹人好奇的，暗能量绝对是其中之一。暗能量事关宇宙的历史，也让宇宙正在加速膨胀，那么它为什么能够“掌控”强大的宇宙呢？一起来看看吧～

星星初光加速膨胀一望鸿蒙万山寒

人类文明的进化史，是一部揭秘世界的探索历史。其中，人类所创造的具有代表性的一个奇迹，便是15世纪至17世纪的全球地理大发现，也被称为大航海时代。在这个充斥着不断冲突与扩张、并极具戏剧性的探索历程中，尽管人类付出了部分种族的文化灭绝、全球性的殖民战争等巨大代价，东西方的科学、技术、文化、贸易、政治生态等都发生了翻天覆地的变革，但人类也在真正意义上认知了自己所生活的这枚蓝色星球。

时至今日，历史的脚步早已走进了21世纪。在过去的一个多世纪以来，人类通过科学探索逐渐建立了一个可以理解整个宇宙的物理图像，即热大爆炸宇宙学模型。然而，一如过往的历史再现，人类认知宇宙的征程也充满着冲突与戏剧性。其中，最近三十年里最令人惊叹的大发现莫过于，1998年两个独立的天文观测小组利用宇宙中的Ia型超新星作为标准烛光，然后通过距离越远的物体发出来的光越暗淡的基本原理探知到，我们的宇宙正在加速膨胀。这成为了20世纪天文学上最重要的发现之一。

为何该发现会如此令人关注和出乎意料呢？

我们不妨将历史定格到1915年。这一年，爱因斯坦提出了一个惊世骇俗的基础理论，用以描述我们人类所生活的这个世界应该遵循的万有引力行为。这就是广义相对论。在这个理论框架下，宇宙整体可以通过几何的数学语言来进行描述。简单来说，我们对宇宙整体的印象不应当是一片被焊接牢固的脚手架，而应该像橡皮膜一样能屈能伸，能缩小能扩张。或者，打个更直观的图像比方，我们不妨把宇宙空间视为蒸屉里面的一块正在胀大的发糕，而世间万物就如同附着在这个发糕里面的芝麻一样，跟随着发糕不断变大而不断地远离其他的芝麻。

根据广义相对论，我们这块“发糕”宇宙的动力学演化是由爱因斯坦给出的引力场方程来描述的。利用已知的物质种类，结合不断进步的天文观测技术来求解爱因斯坦引力场方程，我们人类便能够求索和探寻宇宙的起源以及未来的命运。然而，不幸的是，所有已知的物质种类所给出的宇宙演化结果都无法实现当前宇宙正在加速膨胀的这一天文观测事实——这对人类所掌握的理论构架产生了巨大的挑战。

这一现象好比将一枚铅球抛向空中正等待回落时，却赫然发现它以越来越快的速度飞离出去，仿佛存在一种能抗拒万有引力的黑暗力量将铅球推开。而在整个宇宙尺度产生这种斥力的神秘起源，被称为暗能量。暗能量一经发现，就在同一年被美国《科学》杂志列为世界十大科技进展之首，此后更是折桂2006年邵逸夫天文学奖和2011年诺贝尔物理学奖等一系列国际大奖，成为物理学和天文学一直以来共同关注的焦点。

弱水银河真空不空谁御轻舟过千帆

之所以暗能量引起如此广泛的关注，是因为它事关宇宙的历史。通过天文观测，我们可以推论它不仅存在于宇宙当中，还占据了大约70%的比例。它与宇宙中的另一个神秘存在，即暗物质，在一起构建了总比分大约95%的黑暗世界。其中，暗能量努力将各个星系推开从而驱使宇宙愈加平坦，而暗物质则致力于将星系吸引在一起从而形成璀璨的大尺度结构。正是二者的完美合作，造就了如今所看到的如此波澜壮阔的宇宙。

接下来要面对的一个重要问题则是，什么是暗能量？

一种最简单的设想就是，在爱因斯坦的引力场方程中引入的一个常数项，被称为宇宙学常数，也叫做真空能。它的出现告知了人类，宇宙真空实际上并不是真的“空”，而是可以存在能量的，而真空的能量便可以成为驱动宇宙加速膨胀的动力。

有趣的是，这一设想最早就是由爱因斯坦本人于1917年提出的，当时在极度缺乏实验观测的条件下，人类曾误认为宇宙是静态的，因此爱因斯坦引入宇宙学常数是为了得到一个静态的宇宙解。不过没多久，哈勃等人发现了宇宙在膨胀，有关静态宇宙的假定便被天文观测所排除，爱因斯坦也就放弃了这个常数，并认为这是他“一生中最大的错误”。而在近一个世纪之后，当前宇宙加速膨胀的意外发现让这个常数重新回到人类的视线当中，并被当作暗能量的有力候选者。

尽管真空能的想法足够简单，并且与大部分天文观测符合得很好，但它存在一些致命的困难。现阶段的物理学中，除了描述引力现象的广义相对论，人类还发展了一套描述量子世界微观现象的量子场论，并在过去的一个世纪中同样取得了前所未有的巨大成功。基于这一理论人们可以对宇宙中的真空能进行一个估算，但不幸的是，这比我们实际观测到的结果高出120个数量级！这一巨大冲突，也就是著名的宇宙学常数问题，是当今物理学面临的严峻考验。因此，物理学家们戏谑地称之为“物理学史上最糟糕的理论预言”。

此外，暗能量约占宇宙总比分的70%，为了得到这一比例，在极早期的宇宙中暗能量所占的比例要出奇得小（约为10的负100次方以上），计算机模拟的结果表明，只要极早期宇宙的暗能量比例稍微偏离这一结果，那么当今的宇宙中暗能量的比分将大大偏离我们所观测到的结果。这意味着，对宇宙的初始状态要进行极其精密的微调才能解释今天的观测，这也让我们对真空能的解释产生了怀疑。

白云流霞模型万千梦回莺啼春如画

看不见摸不到的暗能量居然掌握了宇宙的终极命运？①

有关广义相对论，理论学家洛夫洛克（Lovelock）有这么一个论点，只要我们承认一些基本的原理，并要求理论符合一些自然而恰当的条件，那么带有宇宙学常数项的爱因斯坦场方程在逻辑上便是唯一的。尽管这限制了我们进行理论构造的自由，但也为我们跳出通常的理论框架提供了指导。也就是说，为了更好地解释宇宙加速膨胀现象，人们需要跳出标准的爱因斯坦场方程与物质理论的认知框架。

在爱因斯坦理论中，一个只包含普通物质和暗物质的宇宙只能减速膨胀。而区别于它们的暗能量具备两大基本特征：压强很负，且均匀分布几乎不结团。基于这两点科学家提出了各种猜想。此外，宇宙学家还利用暗能量的压强与能量密度的比值来刻画它的状态，也就是暗能量的物态方程参数。为了实现宇宙加速膨胀，我们要求这个物态方程参数必须小于-1/3，考虑到通常物质的能量都为正数，这意味着该物质的压强需要为负数，从而与我们常见的物质大不相同。例如我们前面提到的真空能，这个参数的取值正好等于-1。

除了真空能，宇宙学家们指出暗能量也可能是某种未知的动力学场，宇宙恰好在近期开始加速膨胀完全是暗能量场的动力学演化的自然结果。按照物态方程参数与-1的比较关系，这些动力学场的模型可以大致被分成三大类。

第一类叫做精质（Quintessence），所对应的物态方程参数大于-1。有趣的是，这一名称源自于古希腊哲学的“第五元素”，当时的人类认为世界是由四种基本元素构成的，分别是：气，水，火，土；而在今天的人类认知中，基本粒子可以分为夸克，轻子和中间玻色子，如果再加上暗物质作为第四种元素的话，那么暗能量恰好就成了第五种元素，因此而得名Quintessence。

第二类被称为幽灵（Phantom），所对应的物态方程参数小于-1。这个模型的背后也有一个十分有趣的故事，该模型的提出者Robert Caldwell是忠实的星战迷，在受到了星战前传的第一部电影《魅影危机》（《Phantom Menace》）的影响下，他在一篇同名学术论文《魅影危机？》（《A Phantom Menace?》）中提出了这一设想。为了实现这种暗能量模型的设想，通俗说来我们需要场的动能项为负，而这与我们日常认知的物质场大相径庭，因此它被冠以“幽灵”的称号也就不奇怪了。

第三类暗能量模型的提出，本身就是一个很有趣的故事，宇宙学家突发奇想地将“精质”与“幽灵”这两个理论设想结合在一起，并各取一个字从而提出了名为“精灵”（Quintom）的暗能量模型。在这种模型中，物态方程参数可以根据模型需要在宇宙演化中自由穿越-1的边界，从而能给出更为丰富的动力学演化行为。

作者简介：蔡一夫，2010年于中科院高能所获得理学博士学位。2012年在美国亚利桑那州立大学完成第一期博士后；2015年在加拿大麦吉尔大学完成第二期博士后。2015年入选中组部国家青年人才项目。2017年获得基金委优青资助。现任中国科学技术大学天文学系教授。研究领域是粒子宇宙学。

谢选骏指出：“暗能量掌握了宇宙的终极命运”——这也许不是一个疑问，而是一个答案。因为“看不见摸不到的暗能量”，似乎更能接近圣经所说的“有眼却不能看，有耳却不能听”的上帝真理。于是在我看来，并非看不见摸不到的暗能量掌握了宇宙的终极命运，而是看不见摸不到的暗能量更加接近掌握了宇宙的终极命运的上帝旨意。

【导论3、从大爆炸到膨胀都是人的观念】

《宇宙：从大爆炸到膨胀》（2017-10-06 新华网）报道：

宇宙大爆炸

众多的天文学理论一致认为，宇宙来源于150亿年前的“创世大爆炸”。

宇宙大爆炸理论指出：宇宙最初只是一个体积极小、能量和物质密度却大到无法想象的“粒子”，之后这个“粒子”突然发生了大爆炸，并且向四周无限扩展，各种射线呈放射状散开，随后逐渐凝固成质点，在大爆炸发生之初，物质只能以粒子的形态存在，之后宇宙不断膨胀，温度和密度也不断下降。温度下降并且逐渐冷却之后，会逐步形成原子、原子核及分子，最后复合成通常的气体；气体又逐渐凝聚成星云，而星云会形成各种恒星及星系，最终经过150亿年的演化才变成了今天的宇宙模样。

宇宙大爆炸决定性证据

宇宙正在不断膨胀

我们在很多天文书籍中都看到过这样的描述：宇宙就像一个彩色的大气球，气球上的斑斑点点就是宇宙中的星系，随着气球被吹胀，气球上的斑点也越离越远。这便是宇宙不断膨胀的理论。人类是如何知道宇宙正在膨胀呢？宇宙膨胀是由美国天文学家哈勃最早观测出来的，1929年他发现遥远的星系似乎正在离我们而去，为此哈勃还提出了体积概念。

那么，哈勃体积是什么呢？哈勃做出一个假设：如果你正站在一个球形气泡的中央，在气泡所包围的区域里，所有的特体都会远离你而去，那么它们离去的速度将小于光速；而在哈勃体积之处，所有特体远离的速度则会超过光速。按照宇宙大爆炸理论，宇宙的加速膨胀会让各种星系及其他天体彼此离得越来越远，宇宙物质及密度也会变得越来越稀疏，这样一来，宇宙是不是会变得“空空荡荡”呢？

这时候又有另一种天文学理论横空出世：如果宇宙的持续膨胀使得星系之间的距离变得足够“巨大”，那么就会有其他的全新物质从“虚无”中被创造出来，从而填补出现的宇宙“间隙”，以维护宇宙物质应有的密度。当然，还有天文学家提出了“暗物质”理论，他们认为，“暗物质”能够促使宇宙在膨胀时受到自身引力的作用影响，从而形成特定的结构。

宇宙的最终结局

现代天文学飞速发展，天文学家对于宇宙大爆炸及其结局都有了一定的了解，不过宇宙的最终命运仍然是一个很棘手的问题，它会在“大撕裂”中四分五裂？还是在“大挤压”中无限坍缩呢？或者一直膨胀下去，直到所有的宇宙能量都逐渐消逝？

宇宙膨胀何时才会结束，这和宇宙平均密度的大小有着密切的联系。如果宇宙的平均密度比临界密度大，那么宇宙引力将开始占上风，膨胀也就此宣告结束，接下来宇宙将开始收缩。这时候的情况就像电影回放一样，大爆炸发生后的所有变化都会反演，所有相互远离的星系将开始相互靠拢，宇宙也会变得越来越稠密、越来越炽热。在坍缩过程中，星系会彼此并合，恒星之间的碰撞也会越来越频繁。

当然，以上只是天文学家的设想，而且只考虑到引力的作用。现实的情况却可能更为复杂，甚至超出了现代人类的认知范围。

谢选骏指出：新华网不懂，从大爆炸到膨胀都是人的观念，而不是宇宙的做法。好在外行领导内行的新华社还留了一个尾巴，叫做“现实的情况却可能更为复杂，甚至超出了现代人类的认知范围。”否则，就和振振有词地科学专家们一样愚蠢了。

《第二张黑洞图像公布拥有史无前例的绝美细节》（2021-07-22 IT之家）报道：

我们在2019年通过事件视界望远镜（EHT）第一次近距离捕捉到了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞，人类从此获得了历史上的第一张黑洞照片。

EHT在今年7月19日于《自然—天文学》上发表了其最新研究结果，并公布了一个位于半人马座A星系的另一个黑洞。

IT之家了解到，这是人类首次对一个较小的超大质量黑洞发射的等离子体喷流进行了高分辨率射电观测，也是天文学家首次观测到半人马座A星系超大质量黑洞喷流物。

据悉，此次观测尺度小于一光日。英国爱丁堡大学天文学家Philip Best对此表示：“与之前的喷流图像相比，EHT新图像的分辨率惊人。”

据悉，EHT在2017年4月观测到了半人马座A的图像，而那个地方距离地球约有1300万光年之远，但已经是离地球最近的射电波长亮度最高的星系之一。它的星系盘上下喷射出物质，表明它当时是一个活跃的巨型黑洞。

▲©EHT-Collaboration/M.Janssen等人

▲R.Bors;ESO/WFI;MPIfR/ESO/APEX/A.Weiß等人；NASA/CXC/CfA/R.Kraft等人；EHT/M.Janßen等人

科普：EHT是一个以观测星系中心超大质量黑洞为主要目标的计划。它利用地球自转，使用甚长基线干涉测量（VLBI）技术将世界各地的射电望远镜同步观测形成一个口径等效于地球直径的虚拟望远镜，达到的分辨率约20微角秒，足以观测事件视界尺度结构。

“EHT不会直接捕捉图片，”亚利桑那大学天文学家、论文的合著者丹马龙表示，“相反，它记录了来自世界各地许多射电望远镜的PB级无线电波形数据，然后用于绘制这一张最终的图片。”

最终得到图像比之前观察到的喷流清晰16倍，揭示了黑洞喷流中一些意想不到的细节：它边缘比其中心更亮，边缘更是两条明亮的平行条纹。

他们对此给出的解释是，喷流的边缘可能看起来很亮，因为它的外部区域与周围的气体和尘埃摩擦，因而导致它们发光。

“现在我们能够排除无法重现这种边缘增亮的理论喷流模型，”该研究的作者、德国维尔茨堡大学的天体物理学家马蒂亚斯·卡德勒在一份声明中说道，“这是一个引人注目的特征，将帮助我们更好地了解黑洞产生的喷流。”

此外，研究人员观察到，喷流的整体结构与性质和此前观测的M87高度相似，恒星质量黑洞发射的喷流也一样。

谢选骏指出：其实，这“第二张黑洞图像”，只是黑洞的模拟图形，因为真正的黑洞，是人类无法看见的。

【导论4、黑洞很像人的生育过程】

《“黑洞=暗物质”方程式能否成立？》（2021-03-16 邓如山举报）报道：

可以将物理划分为广义物理和狭义物理或“大物理”和“小物理”两类，小物理学仅指物理学，它包括理论物理学、工程物理学和其它应用物理学；大物理学包括物理化学、物理生物、物理医学、物理数学、甚至包括物理经济学等。可以将数学划分为广义数学和狭义数学或“大数学”和“小数学”，小数学仅指数学，它包括理论数学、工程数学和其它应用数学；大数学包括数学物理、数学化学、数学生物学和数学医学、甚至包括数学经济学等。可以将化学和生物学划分为广义化学、广义生物学和狭义化学、狭义生物学，广义化学或“大化学”包括化学物理、化学数学、化学生物和化学医学等，广义生物学或“大生物学”包括生物物理、生物化学和生物医学、生物数学等，其中的物理化学和化学物理、物理数学和数学物理、物理生物和生物物理、化学数学和数学化学、化学生物和生物化学、生物数学和数学生物、生物医学和医学生物、医学物理和物理医学、医学化学和化学医学、医学数学和数学医学等符合科学哲学概念论的等效原理。

一般而言，可以将哲学划分为广义哲学和狭义哲学或“大哲学”和“小哲学”两类，小哲学仅指哲学，它包括理论哲学、工程哲学和其它应用哲学，大哲学包括大自然哲学和大社会哲学，大自然哲学包括物理哲学、化学哲学、数学哲学、生物哲学和医哲学等，大社会哲学包括经济哲学和政治哲学、文化哲学和教育哲学、军事哲学和体育哲学、心理哲学和伦理哲学、艺术哲学和美哲学、社会哲学和管理哲学等，可以将大哲学看成是小哲学在各门自然科学和社会科学中的应用。“小物理学”或物理学处在自然科学的中心，“小哲学”或哲学处在社合科学的中心，物理学和哲学符合科学哲学中心论的等效原理，我们因此可以将物理学看成是自然科学中的“哲学”，将哲学看成是社会科学中的“物理学”。狭义的科学哲学由狭义科学或“小科学”和狭义哲学或“小哲学”在融合的基础上形成，而广义的科学哲学由广义科学或“大科学”和广义哲学或“大哲学”在整合的过程中构成。

假设宇宙中的物质分为普通物质和“暗物质，既然普通物质在引力作用下可以形成各种天体，其中包括恒星和黑洞，那么暗物质在引力作用下可以形成各种“暗天体”，其中包括“暗恒星”和“暗黑洞”，普通物质天体和暗物质天体、比如：普通物质恒星和黑洞与暗物质恒星和黑洞的形成符合科学哲学机制论的等效原理。科学家已知普通物质占到宇宙总物质组成的大约15%，而暗物质占到宇宙总物质组成的大约85%，这似乎意味着在宇宙中只存在相对少量的普通天体、包括恒星和黑洞，而存在相对多量的暗天体、包括“暗恒星”和“暗黑洞”。暗物质存在的可能性几乎难以质疑，但“暗物质”不一定形成了暗天体，包括“暗恒星”和“暗黑洞”的天体结构方式。长期以来，科学家对暗物质的结构方式主要有两种假说，一种是“微粒说”，比如：暗物质由弱相互作用的大质量粒子（WIMP）、轴子等暗物质粒子构成，中国科学家在暗物质粒子的地下和太空搜索中“后来居上”；另一种是“黑洞说”，或者是由全部的暗物质、或者是由部分的暗物质在超强引力挤压下形成了黑洞。

科学家认为，最有可能由暗物质形成的黑洞不是已知的由大质量恒星爆炸时形成的“后恒星时代”黑洞，而是未知的由宇宙大爆炸后暴涨时期形成的原初黑洞。宇宙微波背景辐射的观测数据表明，宇宙在超大尺度上表现了均匀一致性，如果极早期的宇宙物质密度同样均匀一致，那么早期宇宙物质在“此消彼长”的抵消作用下不能形成任何大小的黑洞，然而，科学家在宇宙微波背景辐射图谱上发现了局部的密度不均匀性，这可能证实了在宇宙极早期的微小尺度上存在不同区域物质密度的差异和量子涨落，极早期的宇宙在量子引力的作用下形成了大量的原初黑洞，由于暗物质占到早期宇宙总物质的主要部分，因此，暗物质在量子引力或引力涨落机制的作用下有可能形成难以计数的原初黑洞。有一些科学家相信，原始黑洞可能的存在足以解释宇宙中暗物质的普遍性。2016年，激光干渋引力波天文台直接观测到了引力波，欧洲原子能中心的科学家解释说，宇宙在大爆炸之后的不到一秒时间产生了大量的原始黑洞，它们仍然是假设中解释暗物质来源的天体，暗物质在极早期宇宙形成了非恒星塌陷方式的原始黑洞。

根据现有的黑洞形成理论和科学家对不同类型黑洞的解释，可以从科学哲学概念上将黑洞划分为三种类型，第一种是由普通物质构成的黑洞，第二种是由暗物质构成的黑洞或“暗黑洞”，第三种是由普遍物质和暗物质共同构成的黑洞或“明暗黑洞”。所谓“看不到的物质”有两种含义，一种是真看不见的物质，暗物质在宇宙中无处不在，它们在宇宙的静态结构和动态演化中发挥了关键性和主导性的作用。暗物质不与作为电磁辐射的光子发生相互作用，天文学家不能用光学望远镜和射电望远镜发现它们的踪迹，只能以引力和引力波的观测手段找到它们的藏身之处，引力透镜和引力波天文台是现代科学家搜索暗物质的“两大神器”。另一种是假看不见的物质，普通物质一旦进入黑洞视界，它们就消失得“无影无踪”，落入黑洞“陷阱”的普通物质不会转变为真暗物质，人们在黑洞视界以外看不见、测不到被黑洞吞噬的普通物质，但假如人们在黑洞视界内“侥幸”地生存下来，他们可能看见和测量到黑洞内的普通物质。有科学家相信，地球和人类也许处在一个“不识庐山真面目”的某个宇宙黑洞之中，黑洞之外的“外星人”不知道地球和人类的存在，地球和人类成了“外星人”看不见、摸不着的“暗物质”，而地球人之间却看得一清二楚、真真切切。

《宇宙与人类真实历史》（跟贴2021-03-20）报道：

我们这个宇宙实际是多时空的物体，宇宙本身就是一个巨大生命体，是宇外大智慧造就。同时同地有许多空间同时存在，每个空间都有山水动植物，龙凤麒麟等等其实就是其他空间生命。

高层空间的人，我们称其为神佛仙道等等。低层空间则是鬼类古人叫阴间，我们人生存的三维空间叫阳间。研究懂了都是科学不是迷信，所以有人说科学的尽头是神学。

当今科学也知道宇宙是多时空的，提出多维空间理论，特别量子学更是发现宇宙是有思维的，也知道宇宙是多时空的，所以提出平行宇宙理论。

哪个民族都讲神用泥土造人。其实是高层空间的泥土，在高空间造就然后放到地球表面三维空间中，在给我们加上这个肉身，同时怕人类太聪明了做恶，所以把人大脑封闭百分之八十多，众多本能特异功能也封闭，只有修练提高道德才给打开大脑与本能。

人类的灵魂多是犯天条被打下来的，给人一个机会让人修练提高道德再返回家园才是人生目地。所有正的宗教都同理。也就是高层空间不同种族的神类仿照自己形象造就地球上自己的种族人体形象，而元神灵魂多是各层空间犯罪的神类生命。所以人类才是地球之主，一切动植物都是给人类造就，吃用欣赏玩的。大陆板块是运动的，天灾人祸沉入海底，所以海底有城市遗址，新陆地高层生命再给造就新物种。那个进化论能把人骗死。什么都是不解之迷。

地球也是给人造就的，把高层空间垃圾塞进地球里做为人类的能源，煤矿就是高层空间树木，石油是高层空间的动物尸体。这也是科学不解之迷，因为地球上根本没那么多动植物与形成的条件，必须把众多动植物突然聚在一起，塞进地下高压高温才可，否则烂掉。…

中国古体字实际是高级生命传给人类，目地讲清宇宙，使人提高道德返回去。那么丰富语言只能讲清一点，因为人类思维必须有时空概念，而宇宙到一定境界无时空，比如宇宙之外就如此，中国文化却知道，比如混沌、太虚空无等等。删改汉字那是最大破坏文化。

许多人问为何看不见外星人？它飞碟早突破空间的飞行，比如它进入一个无时间的空间，去哪里一瞬间，快的无法想象，所以才能星际旅行。人家走的是封闭高速，你走的泥路，当然看不见人家了。许多砖家讲飞碟什么空气动力学等等，听了可笑。

《科学是全球最大的宗教》（热门跟贴2021-03-20）报道：

〔从医学角度论证盘古开天辟地的原理〕

道家例来把人体说成是一个小宇宙，此说有无道理？首先用医学来论证。我们身体由细胞组成了骨头、血、五脏六腑等等。基因组成了细胞，大家皆知，可再往下由什么组成的，知道的多是专业科技者了。

基因由分子组成的，分子由原子组成的，原子由原子核电子组成的…小粒子组成大粒子。

那天上星球都是小粒子，那身体内的小粒子何尝不是星球啊！电子围绕原子核转运，不也是一个个太阳系吗！那电子这个星球上可有一个人类社会啊？

显微镜还看不到，可科学看不到不等于神学看不到，释迦牟尼曾讲一粒沙一个芥子里就有三千大千世界。也就是说微观天体中还有许多人类社会，完全与当今物理学相通的。

人体是有生命的吧，人体内部是个广阔的宇宙，那我们看见的巨大宇宙可不可能是一个大生命体呢？

人体受伤或代泄老化的细胞，得重新细胞分裂，气血机制运动组合各种养份，形成新细胞伤口恢复。这个过程如果站在电子微观星球上生命角度看，就是宇宙重组运动，与今天天文观察宇宙黑洞或天体重组不类似吗！

物理学知道粒子都有衰败期，神学讲宇宙有成住坏灭的过程，也就是宇宙这些星球粒子都有老化解体那天，包括我们银河系。旧细胞不行了，就得重组新细胞，这不就是开天辟地吗！盘古开天地就是这么回事，有何迷信的！这不就是医学与天文学、宇宙重组学吗！

但经过远古一次次史前文明大劫难，从一个个石器时代口传过来，话过三人口西瓜变成篓，就变成不着边际的神话了。但真正科学家非常注重神话，他们知道一定是有原因的，包括山海经，他们不认为是瞎扯。

宇宙既然是个大生命体，那他与物种怎么来的？按传统物理学讲，老子通过修炼看到宇宙微观暗物质中有种无形但却大智慧的东西，老子也不知其名强字曰道，佛家把这东西叫法。由这无形的大智慧物质聚合组成宇宙各种粒子与各种生命，故曰：道生一，一生二，二生三，三生万物。这就是古老物理学。

宇宙是多时空的，每层空间都有生命。传统讲天人合一，顺天敬天，谁反天不道德就是病毒坏细胞，会被宇宙机体代泄到可怕的地方去，所以善良做好人就是长寿的保障。

人体与万物在同时同地其他平行宇宙中都有不同粒子组成的存在方式。手表表针能运行，背后齿轮决定，人体同理。其他空间还有微观粒子组成的机体运作，才能保证我们表面肉身的正常。进化论只在三维空间谈生命与宇宙的起源，真的是坐井观天。

《看看进化论化石证据的忽悠》（跟贴2021-03-20）报道：

1.国内闻名的“元谋人”仅有3个人类的牙齿推断而来。

2.篮田猿人，仅凭1个下颌骨。

3.丁村人，3个牙齿，1块头盖骨。

马坝人，1个不太完整的头盖骨。

他们用进化论的东西再去论证进化论，这就是逻辑学最不认可的循环论证。

4.外国猿人，尼布拉斯加人看看有多么的忽悠。1922年，生物学家奥斯本宣布发现1个牙齿，同时具备猩猩猿人类人猿的特征，于是，迷信进化论的人勾画出这个猿人的想象图。就根据1个牙齿，就整出个猿人，可见其忽悠嘴脸。

1927年，经深入鉴定这是个绝种的野猪牙齿。1892年发现的人猿过渡化石“嘉博人”是1块头盖骨与不远处的人类腿骨拼凑而来，被认定造假后又被“”露茜”代替。后来鉴定露西是绝种的南方古猿。

5.1997年胚胎学家李察逊组织十七个部门调查海课尔的胚胎重演率，举报其造假。比如他选择水生的蝾螈代表两栖类，而不用青蛙。早期的鸡的眼是无色素，他故意给涂黑。海课尔特意对人体胚胎做了加工，去掉内脏与腿，这样就像一个有尾巴像鱼的胚胎，来证明人类来源鱼类。腮裂原来是胎儿脸上皱纹，其实当时就被大学同事举报造假，海克尔认罪并被法院判罚。教课书为何足足骗了百年？因为进化论是列强侵略殖民他国的真理。稀特勒是海课尔忠实信徒，纳萃主义核心就是进化论弱肉强食。其屠杀理论完全来源进化论支持。

6.始祖鸟六个五个被鉴定是造假，第六个他说什么也不拿出来。问他为何造假？他说太崇拜进化论了。所以说进化论已经成为宗教式教义。科学教系统的形成，成为恶棍们侵略奴隶他国的金科玉律

《黑洞与暗物质的相互作用研究取得系列进展》（中国科学报 2019/1/15）报道：

黑洞及其周围的物理现象是现代天体物理学研究的重要领域之一，不同质量的黑洞（如恒星级质量、中等质量、超大质量等）由重子物质通过复杂的过程而形成，它们具有视界、能层、时空奇点等特性。宇宙中充满大量暗物质，它们如何影响黑洞的时空特性？黑洞又如何影响暗物质的分布？长期以来，中国科学院云南天文台徐兆意博士、侯贤副研究员、王建成研究员等开展了黑洞与暗物质相互作用的系列理论研究，近日先后在《宇宙学与粒子天体物理杂志》《经典引力和量子引力》国际核心期刊发表5篇文章，取得了重要进展。

目前，科学家们提出许多暗物质模型，如冷暗物质、标量场暗物质、理想流体暗物质等。对于冷暗物质和标量场暗物质，云南天文台研究团队得到暗物质中的稳态黑洞时空解析解，发现暗物质增加黑洞的视界，减小黑洞的能层，但不改变黑洞的时空奇点，而黑洞对周围的暗物质密度分布有重要影响。对于理想流体暗物质和宇宙学常数下的黑洞，研究团队得到旋转黑洞的时空解，发现黑洞的视界和能层取决于暗物质参数和宇宙学常数。

人们普遍认为超大质量黑洞位于包括银河系在内的大多数星系的中心，直接探测黑洞仍然是天文学中最重要的问题之一。徐兆意表示，在确定黑洞性质（如黑洞的质量和自旋）的不同方法中，利用VLBI（甚长基线干涉仪）观测黑洞的阴影可能是最令人兴奋和有趣的方法。侯贤说：“黑洞的阴影是一个明亮天体经过黑洞后投射的光学图像，观测者看到的是一个二维的黑暗区。黑洞的阴影是广义相对论的自然结果，它不仅可以提供黑洞基本性质的信息，还可以检验广义相对论，探测黑洞周围的暗物质性质。”

研究团队计算了理想流体暗物质中旋转黑洞的阴影，发现黑洞阴影的形状受到黑洞旋转和暗物质参数的影响；计算了银河系中心超大质量黑洞人马座A*的阴影，发现冷暗物质和标量场暗物质对黑洞阴影形状的影响不同；研究了不同物质（包括暗物质、尘埃和辐射）对黑洞阴影的影响，发现暗物质对黑洞阴影的影响最显著。“这些理论研究结果有可能为未来黑洞直接探测提供重要的依据和图像。”王建成说。

谢选骏指出：在我看来，黑洞很像人的生育过程——吸纳一切，吞噬一切，粉碎一切，重新诞生……那么，为何黑洞会像人的生育过程呢？这是因为，渺小的人在想象巨大的象，无法容纳了，所以只能把它描述得像是自身的过程。

【导论5、宇宙黑洞就是“中央——权力核心”】

网文《宇宙黑洞》报道：

黑洞有巨大的引力，连光都被它吸引而无法逃脱。黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到任何东西，甚至连光，都难逃黑洞的手掌心。黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见，这就是这种物体被称为“黑洞”的缘故。我们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。虽然这么说，但黑洞还是有它的边界，既＂事件视界＂．据猜测，黑洞是死亡恒星的剩余物，是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。另外，黑洞必须是一颗质量大于钱德拉塞卡极限的恒星演化到末期而形成的，质量小于钱德拉塞卡极限的恒星是无法形成黑洞的。（有关参考：《时间简史》 ——霍金·著）

物理学观点的解释

黑洞其实也是个星球(类似星球)，只不过它的密度非常非常大，靠近它的物体都被它的引力所约束(就好像人在地球上没有飞走一样)，不管用多大的速度都无法脱离。对于地球来说，以第二宇宙速度（11.2km/s）来飞行就可以逃离地球，但是对于黑洞来说，它的第二宇宙速度之大，竟然超越了光速，所以连光都跑不出来，于是射进去的光没有反射回来，我们的眼睛就看不到任何东西，只是黑色一片。

趣事

在你阅读以下关于黑洞的复杂科学知识以前，先知道两个发生在黑洞周围的两个有趣现象。

趣事一：变化着的时间

根据广义相对论，引力越强，时间越慢。引力越小，时间越快。我们的地球因为质量较小，从一个地方到另一个地方，引力变化不大，所以时间差距也不大。比如说，喜马拉雅山的顶部和山底只差几千亿之一秒。黑洞因为质量巨大，从一个地方到另一个地方，引力变化非常巨大，所以时间差距也巨大。如果喜马拉亚山处在黑洞周围，当一群登山运动员从山底出发，比如说他们所处的时间是2005年。当他们登顶后，他们发现山顶的时间是2000年。

趣事二：假如银河系被黑洞吸收

另外一个有趣的现象也是根据广义相对论，引力越强，时间越慢，物体的长度也缩小。假如银河系被一个黑洞所吸引，在被吸收的过程中，银河系会变成一个米粒大小的东西。银河系里的一切东西包括地球都按相同比例缩小。所以在地球上的人看来，银河系依旧是浩瀚无边。地球上的人依旧照常上班学习，跟他们在正常情况下一样。因为在他们看来，周围的人和物体和他们的大小比例关系不变。他们浑然不知这一切都发生一个米粒大的世界里。

旦因为黑洞周围引力巨大，任何物体都不能长时间待留。假如银河系被一个黑洞所吸引，地球上的人只有几秒的时间去体验第一个现象．

黑洞动力学

为了理解黑洞的动力学和理解它们是怎样使内部的所有事物逃不出边界，我们需要讨论广义相对论。

广义相对论相关

广义相对论是爱因斯坦创建的引力学说，适用于行星、恒星，也适用于“黑洞”。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说，说明空间和时间是怎样因大质量物体的存在而发生畸变。简言之，广义相对论说物质弯曲了空间，而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。

宇宙黑洞

再让我们看一看爱因斯坦的模型是怎样工作的。首先，考虑时间（空间的三维是长、宽、高）是现实世界中的第四维（虽然难于在平常的三个方向之外再画出一个方向，但我们可以尽力去想象）。其次，考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。

爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的，但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块，则将产生更大的效果，使床面下沉得更多。事实上，石头越多，弹簧床面弯曲得越厉害。

同样的道理，宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发生畸变。正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样，质量比太阳大得多的天体比等于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害地多。

如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动，它将沿直线前进。反之，如果它经过一个下凹的地方，则它的路径呈弧形。同理，天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进，而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进。

现在再来看看黑洞对于其周围的时空区域的影响。设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。自然，石头将大大地影响床面，不仅会使其表面弯曲下陷，还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以宇宙出现，若宇宙中存在黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂叫做时空的奇异性或奇点。

现在我们来看看为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去。正如一个滚过弹簧床面的网球，会掉进大石头形成的深洞一样，一个经过黑洞的物体也会被其引力陷阱所捕获。而且，若要挽救运气不佳的物体需要无穷大的能量。

我们已经说过，没有任何能进入黑洞而再逃离它的东西。但科学家认为黑洞会缓慢地释放其能量。著名的英国物理学家霍金在1974年证明黑洞有一个不为零的温度，有一个比其周围环境要高一些的温度。依照物理学原理，一切比其周围温度高的物体都要释放出热量，同样黑洞也不例外。一个黑洞会持续几百万万亿年散发能量，黑洞释放能量称为：“霍金辐射”。黑洞散尽所有能量就会消失。

处于时间与空间之间的黑洞，使时间放慢脚步，使空间变得有弹性，同时吞进所有经过它的一切。1969年，美国物理学家约翰·阿提·惠勒将这种贪得无厌的空间命名为“黑洞”。

我们都知道因为黑洞不能反射光，所以看不见。在我们的脑海中黑洞可能是遥远而又漆黑的。但英国著名物理学家霍金认为黑洞并不如大多数人想象中那样黑。通过科学家的观测，黑洞周围存在辐射，而且很可能来自于黑洞，也就是说，黑洞可能并没有想象中那样黑。霍金指出黑洞的放射性物质来源是一种实粒子，这些粒子在太空中成对产生，不遵从通常的物理定律。而且这些粒子发生碰撞后，有的就会消失在茫茫太空中。一般说来，可能直到这些粒子消失时，我们都未曾有机会看到它们。

霍金还指出，黑洞产生的同时，实粒子就会相应成对出现。其中一个实粒子会被吸进黑洞中，另一个则会逃逸，一束逃逸的实粒子看起来就像光子一样。对观察者而言，看到逃逸的实粒子就感觉是看到来自黑洞中的射线一样。

所以，引用霍金的话就是“黑洞并没有想象中的那样黑”，它实际上还发散出大量的光子。

根据爱因斯坦的能量与质量守恒定律。当物体失去能量时，同时也会失去质量。黑洞同样遵从能量与质量守恒定律，当黑洞失去能量时，黑洞也就不存在了。霍金预言，黑洞消失的一瞬间会产生剧烈的爆炸，释放出的能量相当于数百万颗氢弹的能量。

但你不要满怀期望地抬起头，以为会看到一场烟花表演。事实上，黑洞爆炸后，释放的能量非常大，很有可能对身体是有害的。而且，能量释放的时间也非常长，有的会超过100亿至200亿年，比我们宇宙的历史还长，而彻底散尽能量则需要数万亿年的时间

“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。

根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。

等恒星的半径小于一特定值（天文学上叫“施瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指任何物质一旦掉进去，就再不能逃出，包括光。实际上黑洞真正是“隐形”的．黑洞的

特殊

与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。

更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！

“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。

划分

按组成来划分，黑洞可以分为两大类。一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。

暗能量黑洞

它主要由高速旋转的巨大的暗能量组成，它内部没有巨大的质量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋转，其内部产生巨大的负压以吞噬物体，从而形成黑洞，详情请看宇“宙黑洞论”。暗能量黑洞是星系形成的基础，也是星团、星系团形成的基础。物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成，具有巨大的质量。当一个物理黑洞的质量等于或大于一个星系的质量时，我们称之为奇点黑洞。暗能量黑洞的体积很大，可以有太阳系那般大。

物理黑洞

它的比起暗能量黑洞来说体积非常小，它甚至可以缩小到一个奇点。

吸积

黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。目前观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。对吸积黑洞光度和光谱的分析为旋转黑洞和视界的存在提供了强有力的证据。数值模拟也显示吸积黑洞经常出现相对论喷流也部分是由黑洞的自转所驱动的。

天体物理学家用“吸积”这个词来描述物质向中央引力体或者是中央延展物质系统的流动。吸积是天体物理中最普遍的过程之一，而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂，进而通过吸积周围气体而形成的。行星——包括地球——也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。但是当中央天体是一个黑洞时，吸积就会展现出它最为壮观的一面。

然而黑洞并不是什么都吸收的，它也往外边散发质子。

毁灭

萎缩直至毁灭——黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。当英国物理学家史迪芬·霍金于1974年做此语言时，整个科学界为之震动。

黑洞曾被认为是宇宙最终的沉淀所在：没有什么可以逃出黑洞，它们吞噬了气体和星体，质量增大，因而洞的体积只会增大。

霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃，他结合了广义相对论和量子理论。他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量（当一个粒子从黑洞逃逸而没有偿还它借来的能量，黑洞就会从它的引力场中丧失同样数量的能量，而爱因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的损失会导致质量的损失）。当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。这样，当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑洞的爆炸。

沸腾直至毁灭

所有的黑洞都会蒸发，只不过大的黑洞沸腾得较慢，它们的辐射非常微弱，因此令人难以觉察。但是随着黑洞逐渐变小，这个过程会加速，以至最终失控。黑洞萎缩时，引力并也会变陡，产生更多的逃逸粒子，从黑洞中掠夺的能量和质量也就越多。黑洞委琐的越来越快，促使蒸发的速度变得越来越快，周围的光环变得更亮、更热，当温度达到10^15℃时，黑洞就会在爆炸中毁灭。

黑洞与地球

黑洞没有具体形状，你也无法看见它，只能根据周围行星的走向来判断它的存在。也许你会因为它的神秘莫测而吓的大叫起来，但实际上根本用不着过分担心，虽然它有强大的吸引力但与此同时这也是判断它位置的一个重要证据，就算它对距地球极近的物质产生影响时，我们也还有足够的时间挽救，因为那时它的“正式边界”还离我们很远。况且，恒星坍缩后大部分都会成为中子星或白矮星。但这并不意味着我们就可以放松警惕了（谁知道下一刻被吸入的会不会是我们呢？），这也是人类研究它的原因之一。

提出

1967年，剑桥的一位研究生约瑟琳·贝尔发现了天空发射出无线电波的规则脉冲的物体，这对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。起初贝尔和她的导师安东尼·赫维许以为，他们可能和我们星系中的外星文明进行了接触！我的确记得在宣布他们发现的讨论会上，他们将这四个最早发现的源称为LGM1－4，LGM表示“小绿人”（“LittleGreenMan”）的意思。然而，最终他们和所有其他人都得到了不太浪漫的结论，这些被称为脉冲星的物体，事实上是旋转的中子星，这些中子星由于它们的磁场和周围物质复杂的相互作用，而发出无线电波的脉冲。这对于写空间探险的作者而言是个坏消息，但对于我们这些当时相信黑洞的少数人来说，是非常大的希望——这是第一个中子星存在的证据。中子星的半径大约10英哩，只是恒星变成黑洞的临界半径的几倍。如果一颗恒星能坍缩到这么小的尺度，预料其他恒星会坍缩到更小的尺度而成为黑洞，就是理所当然的了。

在黑洞这个概念刚被提出的时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说。我们现在知道，实际上这两者都是正确的。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的，人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。起先人们以为，光粒子无限快地运动，所以引力不可能使之慢下来，但是罗麦关于光速度有限的发现表明引力对之可有重要效应。

1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔在这个假定的基础上，在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光，还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们现在称为黑洞的物体。它是名符其实的——在空间中的黑的空洞。几年之后，法国科学家拉普拉斯侯爵显然独自提出和米歇尔类似的观念。非常有趣的是，拉普拉斯只将此观点纳入他的《世界系统》一书的第一版和第二版中，而在以后的版本中将其删去，可能他认为这是一个愚蠢的观念。（此外，光的微粒说在19世纪变得不时髦了；似乎一切都可以以波动理论来解释，而按照波动理论，不清楚光究竟是否受到引力的影响。）

事实上，因为光速是固定的，所以，在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理实在很不协调。（从地面发射上天的炮弹由于引力而减速，最后停止上升并折回地面；然而，一个光子必须以不变的速度继续向上，那么牛顿引力对于光如何发生影响呢？）直到1915年爱因斯坦提出广义相对论之前，一直没有关于引力如何影响光的协调的理论。甚至又过了很长时间，这个理论对大质量恒星的含意才被理解。

探索

1928年，一位印度研究生——萨拉玛尼安·强德拉塞卡——乘船来英国剑桥跟英国天文学家阿瑟·爱丁顿爵士（一位广义相对论家）学习。（据记载，在本世纪20年代初有一位记者告诉爱丁顿，说他听说世界上只有三个人能理解广义相对论，爱丁顿停了一下，然后回答：“我正在想这第三个人是谁”。）在他从印度来英的旅途中，强德拉塞卡算出在耗尽所有燃料之后，多大的恒星可以继续对抗自己的引力而维持自己。这个思想是说：当恒星变小时，物质粒子靠得非常近，而按照泡利不相容原理，它们必须有非常不同的速度。这使得它们互相散开并企图使恒星膨胀。一颗恒星可因引力作用和不相容原理引起的排斥力达到平衡而保持其半径不变，正如在它的生命的早期引力被热所平衡一样。

然而，强德拉塞卡意识到，不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。恒星中的粒子的最大速度差被相对论限制为光速。这意味着，恒星变得足够紧致之时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用小。强德拉塞卡计算出；一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。（这质量现在称为强德拉塞卡极限。）苏联科学家列夫·达维多维奇·兰道几乎在同时也得到了类似的发现。

这对大质量恒星的最终归宿具有重大的意义。如果一颗恒星的质量比强德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英哩和密度为每立方英寸几百吨的“白矮星”。白矮星是它物质中电子之间的不相容原理排斥力所支持的。我们观察到大量这样的白矮星。第一颗被观察到的是绕着夜空中最亮的恒星——天狼星转动的那一颗。

兰道指出，对于恒星还存在另一可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍，但是其体积甚至比白矮星还小得多。这些恒星是由中子和质子之间，而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径只有10英哩左右，密度为每立方英寸几亿吨。在中子星被第一次预言时，并没有任何方法去观察它。实际上，很久以后它们才被观察到。

另一方面，质量比强德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时，会出现一个很大的问题：在某种情形下，它们会爆炸或抛出足够的物质，使自己的质量减少到极限之下，以避免灾难性的引力坍缩。但是很难令人相信，不管恒星有多大，这总会发生。怎么知道它必须损失重量呢？即使每个恒星都设法失去足够多的重量以避免坍缩，如果你把更多的质量加在白矮星或中子星上，使之超过极限将会发生什么？它会坍缩到无限密度吗？爱丁顿为此感到震惊，他拒绝相信强德拉塞卡的结果。爱丁顿认为，一颗恒星不可能坍缩成一点。这是大多数科学家的观点：爱因斯坦自己写了一篇论文，宣布恒星的体积不会收缩为零。其他科学家，尤其是他以前的老师、恒星结构的主要权威——爱丁顿的敌意使强德拉塞卡抛弃了这方面的工作，转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。然而，他获得1983年诺贝尔奖，至少部分原因在于他早年所做的关于冷恒星的质量极限的工作。

强德拉塞卡指出，不相容原理不能够阻止质量大于强德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。但是，根据广义相对论，这样的恒星会发生什么情况呢？这个问题被一位年轻的美国人罗伯特·奥本海默于1939年首次解决。然而，他所获得的结果表明，用当时的望远镜去观察不会再有任何结果。以后，因第二次世界大战的干扰，奥本海默本人非常密切地卷入到原子弹计划中去。战后，由于大部分科学家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而引力坍缩的问题被大部分人忘记了。

现在，我们从奥本海默的工作中得到一幅这样的图象：恒星的引力场改变了光线的路径，使之和原先没有恒星情况下的路径不一样。光锥是表示光线从其顶端发出后在空间——时间里传播的轨道。光锥在恒星表面附近稍微向内偏折，在日食时观察远处恒星发出的光线，可以看到这种偏折现象。当该恒星收缩时，其表面的引力场变得很强，光线向内偏折得更多，从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言，光线变得更黯淡更红。最后，当这恒星收缩到某一临界半径时，表面的引力场变得如此之强，使得光锥向内偏折得这么多，以至于光线再也逃逸不出去。根据相对论，没有东西会走得比光还快。这样，如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能逃逸，都会被引力拉回去。也就是说，存在一个事件的集合或空间——时间区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。现在我们将这区域称作黑洞，将其边界称作事件视界，它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。

当你观察一个恒星坍缩并形成黑洞时，为了理解你所看到的情况，切记在相对论中没有绝对时间。每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场，在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩，按照他的表，每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在他的表的某一时刻，譬如11点钟，恒星刚好收缩到它的临界半径，此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去，他的信号再也不能传到空间飞船了。当11点到达时，他在空间飞船中的伙伴发现，航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间，他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间，然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照航天员的手表，光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出；从空间飞船上看，那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长，所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡，最后，该恒星变得如此之朦胧，以至于从空间飞船上再也看不见它，所余下的只是空间中的一个黑洞。然而，此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上，使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。

但是由于以下的问题，使得上述情景不是完全现实的。你离开恒星越远则引力越弱，所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前，这力的差就已经将我们的航天员拉成意大利面条那样，甚至将他撕裂！然而，我们相信，在宇宙中存在质量大得多的天体，譬如星系的中心区域，它们遭受到引力坍缩而产生黑洞；一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上，当他到达临界半径时，不会有任何异样的感觉，甚至在通过永不回返的那一点时，都没注意到。但是，随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。

罗杰·彭罗斯和我在1965年和1970年之间的研究指出，根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和我们预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达他那儿。这令人惊奇的事实导致罗杰·彭罗斯提出了宇宙监督猜测，它可以被意译为：“上帝憎恶裸奇点。”换言之，由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方，在那儿它被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲，这是所谓弱的宇宙监督猜测：它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性失效的影响，但它对那位不幸落到黑洞里的可怜的航天员却是爱莫能助。

广义相对论方程存在一些解，这些解使得我们的航天员可能看到裸奇点。他也许能避免撞到奇点上去，而穿过一个“虫洞”来到宇宙的另一区域。看来这给空间——时间内的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有这些解似乎都是非常不稳定的；最小的干扰，譬如一个航天员的存在就会使之改变，以至于他还没能看到此奇点，就撞上去而结束了他的时间。换言之，奇点总是发生在他的将来，而从不会在过去。强的宇宙监督猜测是说，在一个现实的解里，奇点总是或者整个存在于将来（如引力坍缩的奇点），或者整个存在于过去（如大爆炸）。因为在接近裸奇点处可能旅行到过去，所以宇宙监督猜测的某种形式的成立是大有希望的。这对科学幻想作家而言是不错的，它表明没有任何一个人的生命曾经平安无事：有人可以回到过去，在你投胎之前杀死你的父亲或母亲！

事件视界，也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界，正如同围绕着黑洞的单向膜：物体，譬如不谨慎的航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。（记住事件视界是企图逃离黑洞的光的空间——时问轨道，没有任何东西可以比光运动得更快。）人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于事件视界：“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入事件视界，就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。

广义相对论预言，运动的重物会导致引力波的辐射，那是以光的速度传播的空间——时间曲率的涟漪。引力波和电磁场的涟漪光波相类似，但是要探测到它则困难得多。就像光一样，它带走了发射它们的物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射所带走，所以可以预料，一个大质量物体的系统最终会趋向于一种不变的状态。（这和扔一块软木到水中的情况相当类似，起先翻上翻下折腾了好一阵，但是当涟漪将其能量带走，就使它最终平静下来。）例如，绕着太阳公转的地球即产生引力波。其能量损失的效应将改变地球的轨道，使之逐渐越来越接近太阳，最后撞到太阳上，以这种方式归于最终不变的状态。在地球和太阳的情形下能量损失率非常小——大约只能点燃一个小电热器，这意味着要用大约1干亿亿亿年地球才会和太阳相撞，没有必要立即去为之担忧！地球轨道改变的过程极其缓慢，以至于根本观测不到。但几年以前，在称为PSR1913＋16（PSR表示“脉冲星”，一种特别的发射出无线电波规则脉冲的中子星）的系统中观测到这一效应。此系统包含两个互相围绕着运动的中子星，由于引力波辐射，它们的能量损失，使之相互以螺旋线轨道靠近。

在恒星引力坍缩形成黑洞时，运动会更快得多，这样能量被带走的速率就高得多。所以不用太长的时间就会达到不变的状态。这最终的状态将会是怎样的呢？人们会以为它将依赖于形成黑洞的恒星的所有的复杂特征——不仅仅它的质量和转动速度，而且恒星不同部分的不同密度以及恒星内气体的复杂运动。如果黑洞就像坍缩形成它们的原先物体那样变化多端，一般来讲，对之作任何预言都将是非常困难的。

然而，加拿大科学家外奈·伊斯雷尔（他生于柏林，在南非长大，在爱尔兰得到博士）在1967年使黑洞研究发生了彻底的改变。他指出，根据广义相对论，非旋转的黑洞必须是非常简单、完美的球形；其大小只依赖于它们的质量，并且任何两个这样的同质量的黑洞必须是等同的。事实上，它们可以用爱因斯坦的特解来描述，这个解是在广义相对论发现后不久的1917年卡尔·施瓦兹席尔德找到的。一开始，许多人（其中包括伊斯雷尔自己）认为，既然黑洞必须是完美的球形，一个黑洞只能由一个完美球形物体坍缩而形成。所以，任何实际的恒星——从来都不是完美的球形——只会坍缩形成一个裸奇点。

然而，对于伊斯雷尔的结果，一些人，特别是罗杰·彭罗斯和约翰·惠勒提倡一种不同的解释。他们论证道，牵涉恒星坍缩的快速运动表明，其释放出来的引力波使之越来越近于球形，到它终于静态时，就变成准确的球形。按照这种观点，任何非旋转恒星，不管其形状和内部结构如何复杂，在引力坍缩之后都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。这种观点得到进一步的计算支持，并且很快就为大家所接受。

伊斯雷尔的结果只处理了由非旋转物体形成的黑洞。1963年，新西兰人罗伊·克尔找到了广义相对论方程的描述旋转黑洞的一族解。这些“克尔”黑洞以恒常速度旋转，其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。如果旋转为零，黑洞就是完美的球形，这解就和施瓦兹席尔德解一样。如果有旋转，黑洞的赤道附近就鼓出去（正如地球或太阳由于旋转而鼓出去一样），而旋转得越快则鼓得越多。由此人们猜测，如将伊斯雷尔的结果推广到包括旋转体的情形，则任何旋转物体坍缩形成黑洞后，将最后终结于由克尔解描述的一个静态。

黑洞是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确，这经常是反对黑洞的主要论据：你怎么能相信一个其依据只是基于令人怀疑的广义相对论的计算的对象呢？然而，1963年，加利福尼亚的帕罗玛天文台的天文学家马丁·施密特测量了在称为3C273（即是剑桥射电源编目第三类的273号）射电源方向的一个黯淡的类星体的红移。他发现引力场不可能引起这么大的红移——如果它是引力红移，这类星体必须具有如此大的质量，并离我们如此之近，以至于会干扰太阳系中的行星轨道。这暗示此红移是由宇宙的膨胀引起的，进而表明此物体离我们非常远。由于在这么远的距离还能被观察到，它必须非常亮，也就是必须辐射出大量的能量。人们会想到，产生这么大量能量的唯一机制看来不仅仅是一个恒星，而是一个星系的整个中心区域的引力坍缩。人们还发现了许多其他类星体，它们都有很大的红移。但是它们都离开我们太远了，所以对之进行观察太困难，以至于不能给黑洞提供结论性的证据。

检测

按照黑洞定义，它不能发出光，我们何以希望能检测到它呢？这有点像在煤库里找黑猫。庆幸的是，有一种办法。正如约翰·米歇尔在他1783年的先驱性论文中指出的，黑洞仍然将它的引力作用到它周围的物体上。天文学家观测了许多系统，在这些系统中，两颗恒星由于相互之间的引力吸引而互相围绕着运动。他们还看到了，其中只有一颗可见的恒星绕着另一颗看不见的伴星运动的系统。人们当然不能立即得出结论说，这伴星即为黑洞——它可能仅仅是一颗太暗以至于看不见的恒星而已。

还有其他不用黑洞来解释天鹅X－1的模型，但所有这些都相当牵强附会。黑洞看来是对这一观测的仅有的真正自然的解释。尽管如此，我和加州理工学院的基帕·索恩打赌说，天鹅X－1不包含一个黑洞！这对我而言是一个保险的形式。我对黑洞作了许多研究，如果发现黑洞不存在，则这一切都成为徒劳。但在这种情形下，我将得到赢得打赌的安慰，他要给我4年的杂志《私人眼睛》。如果黑洞确实存在，基帕·索思将得到1年的《阁楼》。我们在1975年打赌时，大家80％断定，天鹅座是一黑洞。迄今，我可以讲大约95％是肯定的，但输赢最终尚未见分晓。

现在，在我们的星系中和邻近两个名叫麦哲伦星云的星系中，还有几个类似天鹅X－1的黑洞的证据。然而，几乎可以肯定，黑洞的数量比这多得太多了！在宇宙的漫长历史中，很多恒星应该已经烧尽了它们的核燃料并坍缩了。黑洞的数目甚至比可见恒星的数目要大得相当多。单就我们的星系中，大约总共有1千亿颗可见恒星。这样巨大数量的黑洞的额外引力就能解释为何目前我们星系具有如此的转动速率，单是可见恒星的质量是不足够的。我们还有某些证据说明，在我们星系的中心有大得多的黑洞，其质量大约是太阳的10万倍。星系中的恒星若十分靠近这个黑洞时，作用在它的近端和远端上的引力之差或潮汐力会将其撕开，它们的遗骸以及其他恒星所抛出的气体将落到黑洞上去。正如同在天鹅X－1情形那样，气体将以螺旋形轨道向里运动并被加热，虽然不如天鹅X－1那种程度会热到发出X射线，但是它可以用来说明星系中心观测到的非常紧致的射电和红外线源。

人们认为，在类星体的中心是类似的、但质量更大的黑洞，其质量大约为太阳的1亿倍。落入此超重的黑洞的物质能提供仅有的足够强大的能源，用以解释这些物体释放出的巨大能量。当物质旋入黑洞，它将使黑洞往同一方向旋转，使黑洞产生一类似地球上的一个磁场。落入的物质会在黑洞附近产生能量非常高的粒子。该磁场是如此之强，以至于将这些粒子聚焦成沿着黑洞旋转轴，也即它的北极和南极方向往外喷射的射流。在许多星系和类星体中确实观察到这类射流。

人们还可以考虑存在质量比太阳小很多的黑洞的可能性。因为它们的质量比强德拉塞卡极限低，所以不能由引力坍缩产生：这样小质量的恒星，甚至在耗尽了自己的核燃料之后，还能支持自己对抗引力。只有当物质由非常巨大的压力压缩成极端紧密的状态时，这小质量的黑洞才得以形成。一个巨大的氢弹可提供这样的条件：物理学家约翰·惠勒曾经算过，如果将世界海洋里所有的重水制成一个氢弹，则它可以将中心的物质压缩到产生一个黑洞。（当然，那时没有一个人可能留下来去对它进行观察！）更现实的可能性是，在极早期的宇宙的高温和高压条件下会产生这样小质量的黑洞。因为一个比平均值更紧密的小区域，才能以这样的方式被压缩形成一个黑洞。所以当早期宇宙不是完全光滑的和均匀的情形，这才有可能。但是我们知道，早期宇宙必须存在一些无规性，否则现在宇宙中的物质分布仍然会是完全均匀的，而不能结块形成恒星和星系。

很清楚，导致形成恒星和星系的无规性是否导致形成相当数目的“太初”黑洞，这要依赖于早期宇宙的条件的细节。所以如果我们能够确定现在有多少太初黑洞，我们就能对宇宙的极早期阶段了解很多。质量大于10亿吨（一座大山的质量）的太初黑洞，可由它对其他可见物质或宇宙膨胀的影响被探测到。然而，正如我们需要在下一章看到的，黑洞根本不是真正黑的，它们像一个热体一样发光，它们越小则发热发光得越厉害。所以看起来荒谬，而事实上却是，小的黑洞也许可以比大的黑洞更容易地被探测到。

产生

黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。任何靠近它的物体都会被它吸进去，黑洞就变得像真空吸尘器一样。

跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由质量大于太阳质量20倍的恒星演化而来的。

当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。

质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。

这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积很小、密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径），正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

根据科学家计算，一个物体要有每秒中七点九公里的速度，就可以不被地球的引力拉回到地面，而在空中饶着地球转圈子了。这个速度，叫第一宇宙速度。如果要想完全摆脱地球引力的束缚，到别的行星上去，至少要有11.2km/s的速度，这个速度，叫第二宇宙速度，也可以叫逃脱速度。这个结果是按照地球的质量和半径的大小算出来的。就是说，一个物体要从地面上逃脱出去，起码要有这么大的速度。可是对于别的天体来说，从它们的表面上逃脱出去所需要的速度就不一定也是这么大了。一个天体的质量越是大，半径越是小，要摆脱它的引力就越困难，从它上面逃脱所需要的速度也就越大。

按照这个道理，我们就可以这样来想：可能有这么一种天体，它的质量很大，而半径又很小，使得从它上面逃脱的速度达到了光的速度那么大。也就是说，这个天体的引力强极了，连每秒钟三十万公里的光都被它的引力拉住，跑不出来了。既然这个天体的光跑不出来，我们就看不见它，所以它就是黑的了。光是宇宙中跑得最快的，任何物质运动的速度都不可能超过光速，既然光不能从这种天体上跑出来，当然任何别的物质也就休想跑出来。一切东西只要被吸了进去，就不能再出来，就象掉进了无底洞，这样一种天体，人们就把它叫做黑洞。

我们知道，太阳现在的半径是七十万公里。假如它变成一个黑洞，半径就得大大缩小，缩到多少？只能有三公里。地球就更可怜了，它现在半径是六千多公里，假如变成黑洞，半径就的缩小到只有几毫米。那里会有这么大的压缩机，能把太阳地球缩小成这样！这简直像是神话故事，黑洞这东西实在太离奇古怪了。但是，上面说的这些可不是凭空想象出来的，而是根据严格的科学理论算出来的。原来，黑洞也是由晚年的恒星变成的，质量比较小的恒星，到了晚年，会变成白矮星；质量比较大的会形成中子星。现在我们再加一句，质量更大的恒星，到了晚年，最后就会变成黑洞。所以，总结起来说，白矮星中子星和黑洞，就是晚年恒星的三种变化结果。

现在，白矮星已经找到了，中子星也找到了，黑洞找到没有？也应该找到的。主要因为黑洞是黑的，要找到它们实在是很困难。特别是那些单个的黑洞，我们现在简直毫无办法。有一种情况下的黑洞比较有希望找到，那就是双星里的黑洞。

双星就是两颗互相饶着转的恒星，虽然我们看不见黑洞，但却能从那颗看的见的恒星的运动路线分析出来。这是什么道理呢？因为，双星中的每一个星都是沿着椭圆形路线运动的，而单颗的恒星不是这样运动。如果我们看到天空中有颗恒星在沿椭圆形路线运动，却看不到它的‘同伴’，那就值得仔细研究了。我们可以把那颗星走的椭圆的大小，走完一圈用的时间，都测量出来。有了这些，就可以算出来那个看不见的‘同伴’的质量有多大。如果算出来质量很大，超过中子星能有的质量，那就可以进一步证明它是个黑洞了。

在天鹅星座，有一对双星，名叫天鹅座X-1.这对双星中，一颗是看的见的亮星，另一颗却看不见。根据那可亮星的运动路线。可以算出来它的‘同伴’的质量很大，至少有太阳质量的五倍。这么大的质量是任何中子星都不可能有的。当然，除这些以外还有别的证据。所以，基本上可以肯定，天鹅座X-1中那个看不见的天体就是一个黑洞。这是人类找到的第一个黑洞。

另外，还发现有几对双星的特征也跟天鹅座X-1很相似，它们里面也有可能有黑洞。科学家正对它们作进一步的研究。“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。

黑洞与虫洞

据最新的研究声称，科学家认为黑洞可能是通往其他宇宙的虫洞。如果这一理论是正确的，将会有助于解释例如黑洞信息悖论等量子难题。不过批评家指出这也会产生新的问题，例如虫洞是怎么形成的等等。

黑洞是一种拥有强大引力的物体，任何物体——即便是光——在进入其事件边界之后都不能逃逸出来。根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞可以由任何物质形成，只要能够坍缩到足够小的空间内。

尽管黑洞不能被直接看到，天文学家还是通过观察周围物质的环绕情况，推断出一些黑洞的位置。

不过来自巴黎Bures-sur-Yvette地区法国高等科学研究所(Institutdes Hautes Etudes Scientifiques)的物理学家Thibault Damour和来自德国Bremen国际大学的Sergey Solodukhin提出一个新的观点，即这些所谓的黑洞其实就是虫洞。

虫洞是连接时空架构中两个不同地方的弯曲通道。如果你把宇宙想象为一个二维的纸张，虫洞就是连接这张纸片和另一张纸片的小通道。实际上这一理论认为，虫洞链向的是一个拥有自己星星、星系等的另一个宇宙。

引起空间扭曲的小球在我们三维世界的例子就是黑洞。黑洞事实上是存在于四维空间的一种现象，或者说，黑洞是连接三维世界与四维空间的通道（当然在下绝不是说“如果谁要去四维空间，就请往黑洞走”，那样只会“死无全尸”而已^O^）。我们有可能通过对黑洞的深入研究，找到克服四维空间的办法，那样的话，瓦普跳跃飞行就不再是梦想了。

现在科学家已经证实，黑洞的存在确实会令周围的空间极度扭曲。根据广义相对论，光线在正常的空间里以直线传播，但当空间扭曲时，光线会随着空间扭曲的方向而扭曲。如果能给一束射进黑洞的光线拍照的话，我们就会发现，光线呈螺旋形指向黑洞中心，因为黑洞的巨大质量已使周围的空间扭曲得不成形了。

另一种黑洞

黑洞在网络中亦指电子邮件消息丢失或Usenet公告消失的地方。

美国斯坦福大学的天文学研究小组在遥远的宇宙中发现了到目前为止堪称最庞大最古老的黑洞。其质量是太阳质量的100多亿倍，这意味着这个被称为Q0906+6930的黑洞能够在自己的引力场中吸纳上千个太阳系，其质量也相当于银河系内所有恒星的质量之和。

这个巨型黑洞位于大熊座星系中央，与地球的距离约为127亿光年。据来自斯坦福大学的罗格-鲁曼尼表示，科学家们初步确定这个黑洞的年龄约为127亿岁，也就是说，它在“大爆炸”之后10亿年内就已经形成了。

然而，令天文学家们疑惑不解的是这个巨型黑洞是如何在如此短暂的时间内聚集如此之巨的质量的。据罗格-鲁曼尼教授解释称，为了揭开这个庞然大物的质量之谜，天文学家们使尽了全身的解数——包括测量微粒的运动速度和多普勒效应强度(离我们远去的天体发出的光波长变长，谱线向红端移动，这种现象叫多普勒效应)。

众所周知，黑洞是看不见的，因此科学家们只能依靠它发出的辐射和对相邻恒星的万有引力作用来判定它的存在。一般来讲，天文学家们将黑洞分为两类：星状黑洞和超大质量星状黑洞。星状黑洞由质量相当于几个太阳的恒星坍缩形成，而超大质量星状黑洞的质量则可达十亿个太阳质量。

罗格-鲁曼尼认为，研究这类奇异的天体有助于更好地研究宇宙的构成。

在我们生活的银河系中心位置，藏匿着一个人

肉眼无法看见的“超级黑洞”：它的直径与地球相当，质量却至少是太阳的40万倍。它“吞噬”周围的所有物质，连光也无法逃逸出去。利用国际最先进的地面望远镜阵列，上海科学家领导的一个国际小组成功拍摄到了迄今为止最接近该黑洞的“射电照片”。

英国《自然》杂志刊登了这一重大成果，并专门配发了评论。主持此项工作的中科院上海天文台沈志强研究员说，这是现有观测条件下，确认银河系中心存在该“超级黑洞”的最令人信服的证据。这个黑洞位于人马座方向，距地球约26000光年。

据悉，早在上世纪30年代，天文学家就从理论上预言了黑洞存在，但由于它本身不发光，因此，如何从观测上证实黑洞成为现代天体物理学最具挑战性的课题之一。近几年来，包括“哈勃”等空间和地面大型望远镜已经遴选出许多“候选黑洞”，其中离我们最近的银河系人马座目标是各国天文学家竞相研究的热点。

从1997年开始，利用位于北半球10个射电望远镜组成的阵列，沈志强领导的国际小组展开大量观测，并用新方法不断提高观测精度。在5年中，无线电波的“视线”一步步接近该黑洞，最终获得了世界上第一张3.5毫米波长的高分辨率图像。

“这是人类第一次看到距离黑洞中心如此近的区域，确实令人兴奋”，沈志强说。通过观测，科学家们发现，这个“超级黑洞”不仅质量极大、体积极小，且密度也十分惊人，比现有的“候选黑洞”密度要大10000亿倍以上。

根据黑洞理论

黑洞是由大质量的恒星坍缩形成的。此时原来构成恒星的物质集中于一“点”，其密度趋向无限大，以至于光都无法逃脱它的引力。因此从外界看，这种天体是全黑的。由于黑洞的这一特点，使得天文学家寻找黑洞的工作十分困难。天文学家只能根据黑洞能够剧烈地“吞噬”它附近的天体这一性质，确定其存在。

通常黑洞有三种类型，一种是位于星系中央的“超级黑洞”，另一种是恒星级的黑洞，其质量大概有数十个太阳左右。还有是介于两者中间的“中等质量黑洞”。

谢选骏指出：黑洞就是“中央——权力核心”。中央政府就是黑洞政府，党中央就是党黑洞。中央不仅权高位重，而且高度保密，绝不透光，神秘兮兮，像极了黑洞——而且中央才能通向另一个平行宇宙——另个国家或另个党部。中央——黑洞吞吃一切，吸尽任何光线……

【导论6、黑洞就像主权国家的暴君】

《黑洞能完全扼杀超大质量星系的胚胎恒星》（2010年05月07日腾讯科技编译）报道：

[导读]日前，科学家最新研究显示，黑洞可以扼杀整个超大质量星系，它将通过释放惊人的辐射能量，使超大质量星系内的胚胎恒星未诞生就难逃毁灭厄运，并且迫使其它残留恒星缓慢死亡。

据美国太空网报道，日前，科学家最新研究显示，黑洞可以扼杀整个超大质量星系，它将通过释放惊人的辐射能量，使超大质量星系内的胚胎恒星未诞生就难逃毁灭厄运，并且迫使其它残留恒星缓慢死亡。

最新研究称，黑洞可以扼杀整个超大质量星系——

黑洞能够在其周围形成盘状漩涡，加热接近的宇宙物质，并辐射着能量。因此很难有任何事物逃脱黑洞的吞噬。超大质量黑洞被认为存在于每个星系中，其直径可达到太阳的数十亿倍。为了观测超大质量黑洞所形成的影响，研究人员通过哈勃天文望远镜和钱德拉X射线天文台对具有高X射线喷射的星系进行了观测分析，基于观测数据，他们吃惊地发现黑洞有大量吞噬气体和灰尘的明显证据。

科学家发现宇宙中三分之一超大质量星系中都存在带有吸积盘的超大质量黑洞，其释放的辐射性能量相当于同一时间宿主星系内数千亿颗恒星释放的辐射性能量，这一辐射性能量非常强，足以剥离超大质量星系25次。但是其喷射的X光线却非常少。

黑洞所释放的能量将吞噬作为新生恒星原始成份的气体和灰尘，在星系中永久地中断恒星形成。而残留恒星的年龄和死亡却不会变化。英国诺丁汉大学天体物理学家阿萨-布鲁克(Asa Bluck)说：“我们观测到超大质量星系历史形成阶段的惊人图像，在黑洞猛烈的激流辐射下，黑洞将导致它们所栖息的星系死亡。黑洞与所处星系的生长比例相一致，当它们摧毁宿主星系时将产生一个吸积盘。超大质量黑洞的这种特征被描述为‘自然界的病毒’。”

布鲁克强调称，然而超大质量星系在可见宇宙中仍是少数派，一千个星系中仅有1个是超大质量星系，或许它们的存在比率更低。他在接受美国太空网站采访时指出，其它多数星系由于体积太小，无法成为超大质量黑洞的栖息港湾，因此不太可能存在导致星系死亡的显著放射能量。但是类似的效应也存在于较小的星系中。比如我们的银河系，银河系是一个体积较大的星系，但其中心却存在着较小的黑洞，当前这个小黑洞仍处于休眠期，并未喷射太多的能量，但很有可能未来将发生显著变化。

谢选骏指出：黑洞就像主权国家的暴君，胡子眉毛一把抓，无情宰杀年轻的天才人才。

【导论7、假说就是神话的回声】

网文《膨胀期》报道：

膨胀期是一个基于宇宙大爆炸的天文观测研究理论。来源宇宙大爆炸(Big Bang)，时间大约在150亿年前。

名词介绍

宇宙大爆炸(Big Bang)仅仅是一种学说，是根据天文观测研究后得到的一种设想。大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。大爆炸的整个过程是复杂的，现在只能从理论研究的基础上，描绘过去远古的宇宙发展史。在这150亿年中先后诞生了星系团、星系、我们的银河系、恒星、太阳系、行星、卫星等。现在我们看见的和看不见的一切天体和宇宙物质，形成了当今的宇宙形态，人类就是在这一宇宙演变中诞生的。

概况

人们是怎样能推测出曾经可能有过宇宙大爆炸呢？这就要依赖天文学的观测和研究。我们的太阳只是银河系中的一两千亿个恒星中的一个。像我们银河系同类的恒星系——河外星系还有千千万万。从观测中发现了那些遥远的星系都在远离我们而去，离我们越远的星系，飞奔的速度越快，因而形成了膨胀的宇宙。

对此，人们开始反思，如果把这些向四面八方远离中的星系运动倒过来看，它们可能当初是从同一源头发射出去的，是不是在宇宙之初发生过一次难以想象的宇宙大爆炸呢？后来又观测到了充满宇宙的微波背景辐射，就是说大约在137亿年前宇宙大爆炸所产生的余波虽然是微弱的但确实存在。这一发现对宇宙大爆炸是个有力的支持。

宇宙大爆炸理论是现代宇宙学的一个主要流派，它能较满意地解释宇宙中的一些根本问题。宇宙大爆炸理论虽然在20世纪40年代才提出，但20年代以来就有了萌芽。20年代时，若干天文学者均观测到，许多河外星系的光谱线与地球上同种元素的谱线相比，都有波长变化，即红移现象。

到了1929年，美国天文学家哈勃总结出星系谱线红移星与星系同地球之间的距离成正比的规律。他在理论中指出：如果认为谱线红移是多普勒效果的结果，则意味着河外星系都在离开我们向远方退行，而且距离越远的星系远离我们的速度越快。这正是一幅宇宙膨胀的图像。

1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙学模型：宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。

大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说，大爆炸理论诞生于20世纪20年代，在40年代得到补充和发展，但一直寂寂无闻。40年代美国天体物理学家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理论。该理论认为，宇宙在遥远的过去曾处于一种极度高温和极大密度的状态，这种状态被形象地称为“原始火球”。所谓原始火球也就是一个无限小的点，现在的宇宙仍会继续膨胀，也就是无限大，有可能宇宙爆炸的能量散发到极限的时候，宇宙又会变成一个原始火焰即无限小的点以后，火球爆炸，宇宙就开始膨胀，物质密度逐渐变稀，温度也逐渐降低，直到今天的状态。这个理论能自然地说明河外天体的谱线红移现象，也能圆满地解释许多天体物理学问题。直到50年代，人们才开始广泛注意这个理论。

60年代，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙大爆炸理论的新的有力证据，他们发现了宇宙背景辐射，后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。他们也因此获1978年诺贝尔物理学奖。

20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后10~43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释.宇宙的起源：最初是比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而，至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且我们尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。

理论观点

大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。

从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：

大爆炸开始时约137亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。

大爆炸后10~43秒宇宙从量子背景出现。

大爆炸后10~35秒同一场分解为强力、电弱力和引力。

大爆炸后10~5秒10万亿度，质子和中子形成。

大爆炸后0.01秒1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。

大爆炸后0.1秒后300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。

大爆炸后1秒后100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。

大爆炸后13.8秒后30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。

大爆炸后35分钟后3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。

大爆炸后30万年后3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。

大爆炸宇宙模型（big-bangmodel）

一种广为认可的宇宙演化理论。其要点是，宇宙是从温度和密度都极高的状态中由一次“大爆炸”产生的。时间至少发生在100亿年前。这种模型基于两个假设：第一是爱因斯坦提出的，能正确描述宇宙物质的引力作用的广义相对论；第二是所谓宇宙学原理，即宇宙中的观测者所看到的事物既同观测的方向无关也同所处的位置无关。这个原理只适用于宇宙的大尺度上，而它也意味着宇宙是无边的。因此，宇宙的大爆炸源不是发生在空间的某一点，而是发生在同一时间的整个空间内。有这两个假设，就能计算出宇宙从某一确定时间（称为普朗克时间）起始的历史，而在此之前，何种物理规律在起作用至今还不清楚。宇宙从那时起迅速膨胀，使密度和温度从原来极高的状态降下来，紧接着，预示质子衰变的一些过程也使物质的数量远超过反物质，如同我们今天所看到的一样。许多基本粒子在这一阶段也可能出现。过了几秒钟，宇宙温度就降低到能形成某些原子核。这一理论还预言能形成一定数量的氢、氦和锂的核素，丰度同今天所看到的一致。大约再过100万年后，宇宙进一步冷却，开始形成原子，而充满宇宙中的辐射则在宇宙空间自由传播。这种辐射称为宇宙微波背景辐射，它已经被观测所证实。除了原始物质和辐射外大爆炸理论还预言，现在宇宙中应充满中微子，它们是无质量或无电荷的基本粒子。现在科学家们正在努力找寻这种物质。

大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：

（a）理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。

（b）观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。

（c）在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。

（d）根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。

按照大爆炸理论，宇宙是137亿年前从一个极小的点诞生的，从那里诞生了时间和空间、质量和能量，从而由物质小微粒聚集成大团的物质，最终形成星系、恒星和行星等。在大爆炸发生前，宇宙中没有物质，没有能量，甚至没有生命。

但是，大爆炸理论无法回答现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样，或者说发生这次大爆炸的原因是什么？按照大爆炸理论，宇宙没有开端。它只是一个循环不断的过程，从大爆炸到黑洞的周而复始，便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。

这只是一个设想，并不是一个完美的理论。

论据

大爆炸理论虽然并不成熟，但是仍然是主流的宇宙形成理论的关键就在于目前有一些证据支持大爆炸理论，比较传统的证据如下所示：

（a）红位移

从地球的任何方向看去，遥远的星系都在离开我们而去，故可以推出宇宙在膨胀，且离我们越远的星系，远离的速度越快。

（b）哈勃定律

哈勃定律就是一个关于星系之间相互远离速度和距离的确定的关系式。仍然是说明宇宙的运动和膨胀。

V=H×D

其中，V（Km/sec）是远离速度；H（Km/sec/Mpc）是哈勃常数，为50；D（Mpc）是星系距离。1Mpc=3.26百万光年。

（c）氢与氦的丰存度

由模型预测出氢占25%，氦占75%，已经由试验证实。

（d）微量元素的丰存度

对这些微量元素，在模型中所推测的丰存度与实测的相同。

（e）3K的宇宙背景辐射

根据大爆炸学说，宇宙因膨胀而冷却，现今的宇宙中仍然应该存在当时产生的辐射余烬，1965年，3K的背景辐射被测得。

（f）背景辐射的微量不均匀

证明宇宙最初的状态并不均匀，所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生。

（g）宇宙大爆炸理论的新证据

在2000年12月份的英国《自然》杂志上，科学家们称他们又发现了新的证据，可以用来证实宇宙大爆炸理论。

长期以来，一直有一种理论认为宇宙最初是一个质量极大，体积极小，温度极高的点，然后这个点发生了爆炸，随着体积的膨胀，温度不断降低。至今，宇宙中还有大爆炸初期残留的称为“宇宙背景辐射”的宇宙射线。

科学家们在分析了宇宙中一个遥远的气体云在数十亿年前从一个类星体中吸收的光线后发现，其温度确实比现在的宇宙温度要高。他们发现，背景温度约为-263.89摄氏度，比现在测量的-273.33的宇宙温度要高。

反对声音

一封《致科学界的公开信》得到了34位科学家和工程师的签名，于2004年5月22日发表于英国的《新科学家》（NeWScientist）杂志。我们将它翻译过来，目的是让读者对大爆炸理论的人的论据有所了解。这封公开信被贴到网上后，又得到了185位科学家的网络签名（现在已四百多人了）：

如今，大爆炸理论越来越多地以一些假设，一些从未被实证观察的东西作为自己的论据：暴胀、暗物质和暗能量等就是其中最令人震惊的一些例子。没有这些东西，我们就会发现，在实际的天文学观测和大爆炸理论的预言之间存在着直接的矛盾。这种不断求助于新的假设来填补理论与实现之间鸿沟的做法，在物理学的任何其他领域中都是不可能被接受的。这至少反映出这一来历不明的理论在有效性方面是存在着严重问题的。

然而，没有这些牵强的因素，大爆炸理论就无法生存。离开了暴胀之类的假设，大爆炸理论就无法解释实际观测中发现的同质的、各向同怀的宇宙背景辐射。因为那样的话，它就无法解释宇宙中相距遥远的各部分何以会有着相同的温度并发出同量的微波辐射。离开了那种与我们20多年来辛苦努力在地球上观察到所有物质都格格不入的所谓暗物质，大爆炸理论的预言与宇宙中实际的物质密度就完全是矛盾的。暴胀所需的密度是核聚变所需的20倍，这也许可以作为大爆炸理论中较轻元素来源的一个理论解释吧。而离开了暗能量，根据大爆炸理论计算出来的宇宙年龄就只有80亿年，这甚至比我们所在的这个星系中许多恒星的年龄还要小几十亿岁。

更重要的是，大爆炸理论从来没有任何量化的预言得到过实际观测的验证。该理论捍卫者们所宣称的成功，统统归功于它擅长在事后迎合实际观测的结果，它不断地在增补可调整的参数，就像托勒玫（Ptolme）的地心说总是需要借助本轮和均轮来自圆其说一样，其实，大爆炸论并不是理解宇宙历史的唯一方式。‘等离子宇宙论‘和’稳恒态宇宙模型论’都是对这样一个持续演化着的宇宙的假设，它们认为宇宙既无始也无终。这些模型，以及其他一些观点，也都能解释宇宙的基本现象，如较轻元素在宇宙中所占的比重、宇宙背景辐射以及遥远星系谱线红移量随着距离增加等问题，它们的一些预言还甚至得到过实际观测的验证，而这是大爆炸理论从未做到过的。大爆炸论的支持者们强辩说这些理论不能解释观测到的所有天文现象。但这并没有什么奇怪的，因为它们的发展严重缺乏经费的支持。实际上，直到今天，这样一些疑问和替代理论都还不能被拿出来进行自由的辩论和检验。绝大多数的研讨会都在随波逐流，并不允许研究者们进行完全公开的观点交流。理查德·费曼（RichardFeynman）说过，‘科学就是怀疑的文化’，而在今天的宇宙学领域，怀疑和异见得不到容忍，年轻学者们即使对大爆炸这一标准模型有任何否定的想法也不敢表达。怀疑大爆炸论的学者如果把自己的疑问说出来就会失去经费资助。连实际的观测结果也要被筛选，要依据其能否支持大爆炸理论的标准来筛选。这样一来，所有不合标准的数据，比如谱线红移、锂元素和氦元素在宇宙中所占的比例、星系的分布等，都被忽视甚至歪曲。这反映出了一种日益膨胀的教条主义，完全不合乎自由的科学研究精神。如今在宇宙学研究领域，几乎所有的经费和实验资源都被分配给以大爆炸理论为课题的项目。科研经费来源有限，而所有主管经费分配的评审委员会都被大爆炸论的支持者们把持着。结果就造成了大爆炸理论掌握该领域的全面主导地位，这一局面与该理论在科学上的有效性毫无关系。只资助从属于大爆炸论的课题，这种做法抹杀了科学方法的一个基本原则：就是必须持续不断地用实际观察来对理论加以检验的原则。这样一种束缚使任何探讨都无法进行，也使任何研究都无法进行，为了治疗这一顽症，我们呼吁资助宇宙学研究的机构将相当部分的经费留给那些替代性理论的研究课题，留给那些与大爆炸理论存在矛盾的实证观测。为避免经费分配不公的问题，掌管经费分配的评审委员会可以由非宇宙学领域的天文学家和物理学家组成。将经费公平地分配给针对大爆炸理论有效性进行的研究项目，以及其替代性理论的研究项目，这将能使我们以科学的方式找到关于宇宙历史演变的最可信的模型。

理论的缺陷

根据大爆炸理论，星系连同其它所有的恒星和行星都产生于一个所谓有的奇异点。这个奇异点中集中了所有宇宙最原始的物质。而科学家们对这一奇异点物理参数的评估则是：温度为1031K，潜藏的能量密度为1098尔格/立方厘米(作为比较，恒星内部最高温度为108K，而中子星的物质密度为1015克/立方厘米)。

我们很难想像，处于奇异点时期的宇宙到底是什么样。今天流行的宇宙超级结构理论认为，大爆炸后形成的微型黑洞遍及整个宇宙。这些黑洞的体积还没有一个原子核大，但其质量却相当于一个小行星。不久前还有信息称，美国宇航局计划于2007年发射一个高功率X射线望远镜GLAST。按照天文物理学家们的计算，该望远镜的敏感度足以发现微型黑洞的波动。宇宙超级结构理论将最终得到实验证实。

“大爆炸”理论最大的缺陷就是无法回答大爆炸之前这一奇异的点来源于何方？大爆炸理论存在了100多年了，但令人惊讶的是，这一理论的发展将把人们对宇宙诞生和灭亡的认识不可避免地引向神创说。并不奇怪，教皇约安-帕维尔二世早就在其书信中称当代的宇宙论与《圣经》中的论述不谋而合。

电磁宇宙设想——新兴的宇宙理论

近年来，我们关于电磁宇宙的设想则回答了诸多疑问。而电磁宇宙说的基本观点则体现在以下三个主要方面：第一，宇宙将永远存在；第二，宇宙间的所有物质在各种频率范围内都发生着能量交换——从超低频至超高频；第三，宇宙间的一切活动都是循环发生的(行星产生于黑洞，之后又浓缩成黑洞)并遵循着守恒定律(能量、电荷、物质)。

电磁宇宙理论的基本观点是：宇宙是一个超环面系统，其中的众多星系都由宇宙磁场连接在一起，螺旋形的超环面宇宙磁场控制着所有的星系流。各个星系群由黑洞带隔开，而黑洞带则是孕育和产生星系之处，部分科学家称之为星系“产房”。

根据电磁宇宙理论，黑洞造就了两种星系类型，一种由由负电子和质子构成物质世界，另一种则是由正电子和反质子构成所谓反物质世界。正是这两个世界之间存在的巨大的物质和电荷差异形成了给予宇宙生命与发展的能量。

星系就是在宇宙磁场存在条件下诞生的，恒星系统和星系际物质的运动则形成了宇宙的强大的电流。正如地球大气中雷雨天的放电现象，黑洞中的放电现象便成就了众多星系的诞生和死亡。如果说地球上的放电现象是瞬间完成的，那么黑洞的放电现象则要持续数十亿年并最终决定在我们的周围会形成什么样的世界。

电磁宇宙理论认为，宇宙中的大爆炸其实就是星系的诞生过程。由于宇宙间存在着数不清的星系，所以可以推测，宇宙间的大爆炸每时每刻都在发生，也就是说，宇宙间的星系诞生和灭亡每秒都在发生着。原子弹的爆炸就是这样一个实例。

冷战时期，每次原子弹试爆时美国人安装在卫星上的传感仪器都会对爆炸进行观测。原子弹爆炸总伴随着中子辐射。令科学家们惊讶的是，每次爆炸后仪器都会记录下不间断的中子辐射。后来天文学家们的研究显示，宇宙间每个区域内时时刻刻都在发生着爆炸。

电磁宇宙理论的问世将使大爆炸理论随着时间的推移而被人们淡忘。因为物质和能量永远处于相互转换中，时间只不过是记录从一个事件到另一个事件的工具，事实上时间也是永恒的，生命的循环既没有始，也没有终。

《宇宙新论：宇宙大爆炸一直在发生》（英国广播公司(BBC)2002年4月25日）报导：

美国普林斯顿大学一物理学家根据天文观测的结果，即宇宙还在不断地加速膨胀，提出一种新的宇宙理论，称一次次的宇宙大爆炸在过去和将来一直在发生，我们目前的这个宇宙只是这一连串大爆炸中的一个，虽然每次宇宙大爆炸的过程极其漫长(超过一万亿年)，但通过对此理论所预言的重力波的观测，人们有可能在几年内初步验证此理论是否正确。

宇宙还在不断膨胀，报导称在过去五年，一个奇怪的现象引起了人们的关注。

背道而驰

大爆炸产生的辐射波：自从150亿年前的宇宙大爆炸之后，星体和各星系一直各自向外飞散。理论上讲，相互维系的重力应该减慢这个膨胀的速度，但是事实并非如此，实际上膨胀还在加速进行。宇宙中有某种力量，正在把星体和各星系拉开。宇宙学家不知道那是什么力量，但是他们可以建立数学公式把这个现象描绘出来。

宇宙新论的提出者之一、美国普林斯顿大学的斯坦哈特说，这些公式预测宇宙无始、无终，一次次宇宙大爆炸将会永不止息，不断发生。

爆炸循环

他说：“我们这幅图画所提出的是大爆炸并非时间的开端，而只是连串爆炸循环当中的最新一次而已。在这些循环当中，宇宙经历加热、膨胀、冷却、停滞、空虚，然后再度膨胀。”根据这个理论，宇宙将会继续膨胀大约一万亿年。这时，公式推算出，神秘的反重力力量的特性改变，在宇宙某个角落发生另一次大爆炸，一切重新开始。

验证

要验证斯坦哈特的说法是否正确不必等一万亿年，对错很快就可以定夺。每一次大爆炸都会产生重力波，在整个宇宙扩散。科学家正在地球上和太空中建造新一代的仪器来探测这些重力波。第一个探测结果将会在几年内出现，这将可以证实或者否定宇宙无始无终的说法。

《大爆炸理论：拼凑起来的故事？》

美国《纽约时报》曾报道过这样的事件：

曾几何时。有个似乎十分简单的设想，即宇宙始于一次大爆炸。

宇宙诞生的故事慢慢拼凑起来。“大爆炸”方程式甚至还可以用于预测宇宙历史早期形成的质量较轻元素(氢、氢和锂)的相对数量。而且“大爆炸”理论还与观测结果十分吻合，这真是不可思议。

但是这种理论上的乐园已经难有好日子过了。最近几年，“大爆炸”理论不能自圆其说的问题接踵而来，宇宙不再那么循规蹈矩了。

最新进展

据英国《新科学家》杂志在线版2017年4月5日消息称，真正的天文重器——“地球大小”的望远镜目前正准备“穿透星系的心脏”。它由全球各地的8个射电观测台组成，模拟出一台具有行星规模的天文设备。今年4月，只要所有观测台天气条件合适，它们会立即开启，人类将利用其首次对黑洞进行拍照，揭开近百年来仍无解的黑洞谜底。

这组巨大的天文设备名为“事件视界望远镜”（EHT），其囊括了位于西班牙、美国和南极等地的射电望远镜。现在，EHT的8只“眼睛”已组合完毕，科学家们正协调射电望远镜阵列，模拟成一台虚拟的“地球大小的望远镜”，准备首次尝试对宇宙黑洞进行拍照——只有行星规模的望远镜有能力“照亮”黑洞，因此，可对星系中心的超重黑洞进行监测。

望远镜目标最终指向距离地球25000光年的人马座A*黑洞以及M87星系黑洞。前者是位于银河系中心一个亮度极高且致密的无线电波源，属于人马座A星系的一部分，星系的“心脏”就是超大质量黑洞的所在，它也被看作研究黑洞物理的最佳对象；而M87星系核心的黑洞质量，估计可能会达到30亿至64亿个太阳质量。一直以来，人们对这两个神秘的目标都缺乏清晰详尽的数据。

团队表示，4月5日至14日夜晚，当全部8个观测地天气晴朗，他们将会立即启动“事件视界望远镜”，以前所未有的分辨率创建图像。如果这项尝试成功了，所获照片将会帮助科学家进一步检测广义相对论。与此同时，来自美国激光干涉引力波天文台（LIGO）和欧洲引力波天文台（VIRGO）的科学家将会联合进行一项深入研究，以确定特殊星系引力波的起源。

该团队包括荷兰奈梅亨大学以及德国马克斯·普朗克物理研究所等机构，研究人员表示，“事件视界望远镜”的运行将向人类展示宇宙的最基本信息。

2017年12月7日，美国卡耐基科学研究所科学家发现有史以来最遥远的超大质量黑洞，该黑洞质量是太阳质量的8亿倍。这与现今宇宙中发现的黑洞有着很大不同，此前发现的黑洞质量很少能超过几十倍的太阳质量。

【026、黑洞、白洞、虫洞的关系是什么？】

Wein Eld 2014-01-13

虫洞是链接黑洞与白洞的通道，是必须有这两者存在才行吗？可以链接黑洞与黑洞么？

让我们忘记生活中的失意，一起去了解浩瀚星辰。

黑洞，白洞，虫洞这三个物理对象中，只有黑洞是完全被观测证实的。而白洞和虫洞则是在理论上研究黑洞的时候提出来的概念。其中白洞被普遍认为并不真实存在，而虫洞则被认为可能存在，但依然只处在理论研究阶段。关于他们三者之间的关系，其实还有着一些误解，下面聊一聊。

黑洞：

1915年，爱因斯坦完成了他的广义相对论。该理论认为，时空本身可以被物质弯曲。仅仅在数个月之后，正在一战前线的德国物理学家卡尔·史瓦西便发现了广义相对论的一个精确解。这个解描述了一个球对称时空（所谓球对称是指空间各个方向看上去都是一样，例如大部分星体都有近似球对称性），但这个时空呈现出一个奇怪的性质，那就是好像这个时空中存在一个特殊的半径，在这个半径之内，所有的物体，包括运动最快的光都没办法逃离出去。由于光都逃不出来，所以它看上去是黑的，因此被称为黑洞，如上图所示。而这个特殊半径所包裹的球面称为视界（严格来说，我们经常听到的“事件视界”是这个球面在时空中划下的轨迹）。而史瓦西发现的这个解从此也被称为史瓦西时空。黑洞是一个在不考虑量子力学情况下，只能有东西进却没有东西出来的物体。

白洞：

人们首先注意到，在黑洞的视界上，时空的性质好像变得奇异（也就是所谓的时空度规在那儿发散，不熟悉度规的话，请忽略）。但是奇异性也许是因为我们使用了不恰当的坐标系，因此人们开始通过变换坐标系来消除那些假的奇异性。这样，人们就把史瓦西时空扩大了（物理学家们称为延拓）。最大延拓之后的时空称为克鲁斯卡尔-塞凯赖什（Kruskal–Szekeres）时空，在这个时空中，除了有一个黑洞区域，我们还发现有一个白洞区域。这个区域与黑洞恰好相反，白洞是一个只有东西出来却没有东西进去的区域。

由于真实的时空并不是凭空从爱因斯坦的场方程出现的，而是由实际的物理过程产生。一般来说黑洞都是由坍缩的星体形成的，如果我们考虑这个过程，那么我们就会发现，原先白洞区域就会被一个坍缩的星体替代。居于此，物理学家普遍认为，白洞并不真实存在。

虫洞：

我们还是回到之前提到的那个最大的延拓时空：克鲁斯卡尔-塞凯赖什时空（后一个名字真难念，怪不得人们只说克鲁斯卡时空）。在这个时空中，除了发现有一个白洞区域，我们还发现黑洞外面还有一个新的洞外区域，这个洞外区域不是我们所在的洞外区域，而是一个独立的新世界！这个新世界通过一个类似隧道一样的东西与我们这个世界相连，这个隧道便称之为虫洞。

想象我们生活在图中的二维面上（为了可视化，我们总是需要压缩一维空间），那么那个隧道的表面在我们看来像是一个“球面”，其中有一个圆很特殊，一旦越过那个圆，光也没有办法逃离出来。所以，虽然我们的世界（上面那个）与新的世界（下面那个）通过虫洞连接在一起，但是我们也没办法从一端穿到另一端去，除非你能做到比光速还快，才能从另一端跑出来。

因此，在一边的观察者看来虫洞其实像一个黑洞，因为东西掉进去了就出不来，对另一边的观察者来说也是一样。所以我们可以说，虫洞连接了两个空间区域，也可以说虫洞连接了两个黑洞，但是不能说虫洞连接了黑洞和白洞。如果是那样的话，那么从黑洞那边跳进去，自然就从白洞出来了。星际旅行岂非爽歪歪，你想得美！

（顺便提一下，1915年的史瓦西是在一战战场上感染了当时无法治愈的天疱疮情况下，在战地医院里写下的两篇有关广义相对论的论文的。1916病重的史瓦西返回了德国，并在不久后就病逝了。时年43岁，也可谓英年早逝。我所在校区还有以他名字命名的街道）

我想介绍一个物理图像。相信对厘清黑洞，白洞，不可穿越虫洞的关系有帮助。

1，追踪内外光线的物理图像

在球对称时空里（借助熟悉的平直时空也无妨），想象某一时刻的空间里有一个球面（坤坤的篮球？），面上布满光源。光源在某一时刻同时发光。让我们来跟踪垂直于球面的光线（一起做痴汉）。向外跑的光，自然会在接下来的一个时刻，围成一个比原来球面稍大的球，而向里跑的则围成一个更小的。黑洞外的弯曲时空，或者说引力场，对比平直时空的情况，会有量上的改变，但没有质的改变。就是说向外径直跑的光还是会扩散，向里的会汇聚（对话有专业能力的小伙伴：像Kerr时空那样的，不是球对称的情况的确有些微妙。但是借助Landau-Raychaudhuri方程来看，可以知道本图像相当普适）。

黑洞的内部就完全不一样了。哪怕向外径直发射的光，在接下来的一个瞬间，所围成的球面也比想象的光源所围的球面小。无论是向里向外，发出去的光围成的球面都变小，那么不能超光速的光源所围的球面也一定是在收缩的。这反映了黑洞内部的时空是高度动态的。

接下来思考上述两个区域的分界线。从黑洞内往黑洞外选取一组球面，考察外向光线。从内部的收缩区到外部的膨胀区，连续性会保障着，中间一定存在经历一个特殊的球面。我的球面上的外向光线恰好维持面积不变。采用这种图像，可以比较精准地定于黑洞视界：时空里面积不变的外向光线所组成的集合。光shi线jie截在某一时刻的空间里的球面很清晰地划分了内外区域。（再次对话有专业能力的小伙伴，挑战下两道还算不错的练习题，1：把图像和计算的gap给补上，查一查类光测地线汇膨胀的定义并在史瓦西时空里计算内外径向光线的膨胀，记得用ingoing的爱丁顿坐标；2：计算史瓦西黑洞的动态版本Vaidya黑洞的情况并找出差别）

小结一下，黑洞视界外，向外发射的光虽然也受点影响，但还是可以扩散得越来越大，逃到远方；在黑洞视界里，时空弯曲得连向外跑的光也会渐渐汇聚。连外向光都在收缩，于是可以断言没有任何东西可以不跟着一块儿收缩。黑洞视界则是刚刚逃不出去的那些外向光线。至于内向光线，完全可以无障碍地穿过视界。

物理上，黑洞是由一坨东西坍缩而来的。这意味着，不管黑洞内外指向过去的内向光线终究会与坍缩物体的表面相遇。继续假装光线可以不受影响地穿过物体内部，终究会汇聚到正常的球心的位置。整个过程是，物体表面会越过视界。正好在相交处发出的未来外向光线维持不变的面积，甚至可以认为这些未来外向光线的集合就定义了事件视界。不考虑量子效应带来的霍金辐射，又不考虑谁又往黑洞里扔东西的话，视界面积会一直保持稳定，延伸到无限久远的未来。内向光的未来，就是一直缩缩缩，缩到面积为0，碰上了奇点。物体的命运，我偏不说（这里也是一个对读者知识背景的测试）。

2，对以上的图像，做一下时间反演会怎么样？刚才我们是关心未来会怎么样，看的是某个时刻的假想光源发出的光在下一个时刻的状态。现在我们把光源忘掉，往过去方向追踪下两组光线：

指向未来的外向光线，反着时间看就是在收缩，向里跑，可以改口叫指向过去的内向光线；

指向未来的内向光线，反着时间看就是在扩张，向外跑，可以改口叫指向过去的外向光线

就是说，时间一反，向里跑还是向外跑，也反过来了。第1节最后谈的物理过程是物体越过视界，就是那一组刚好维持面积不变的外向光线，标志着黑洞的形成，最后黑洞在经典物理下的图像就是一直保持一样的面积。现在把时间反过来，就是按照下列规则做一下文字游戏

过去外向光线膨胀，翻译：未来内向光线收缩；

过去内向光线收缩，翻译：未来外向光线膨胀；

朝过去收缩，翻译：朝未来膨胀；

面积不变的过去外向光线，翻译：面积不变的未来内向光线。

如果不考虑现实，仅从数学上来探讨，做一个称为延拓的数学游戏。

另起一段解释下延拓，借助抛体运动得讨论来聊聊。一个物体，忽略空气阻力，只在重力的作用下，只要初速度跟水平方向有一定夹角，那么运动轨迹就是一条抛物线。不过，小学里学到直线，线段，射线的时候，老师都很注重概念严谨。直线是两端无限延伸的；射线是一端延伸，另一端有端点；线段是有限长的。却从来没听说过有人强调，抛体的运动轨迹不是抛物线，而是抛物线的一截。（滑稽脸：难道数学系的不会吐槽不严谨吗？）现实里，抛体总归是要落到地面上的。而抛体在运动的开始总是通过另外的途径获得初速度，例如投篮，例如击打排球，例如投石机。很肯定，抛体运动轨迹的确只是抛物线的一截（笑），虽说大概不会真的有人严谨得那么神经兵。我们也可以不考虑现实，按抛物线的数学方程把轨迹往两头无限延伸开去。那就是，没有地面，抛体一直可以在重力作用下运动。初始状态也不管了，也一块儿往过去无限反溯。大体上可以这么来把握延拓这个数学操作。

上面这段解释，严谨性让位于启发性。小伙伴觉得有点意思的话就可以继续讨论了。我们对物体外部的弯曲时空做延拓，毫无顾忌地把描述此弯曲时空的公式的适用范围延伸出去，就好比我们取延长上面解释里的抛物线；做延拓把坍缩物体表面h及内部给移除掉，好比把地面地球移除了。copy一下第1节的讨论，公式适用的一些区域里，外向光线膨胀，内向光线收缩；另一些区域里，内外向都收缩。两个区域的分界是正好面积不变的外向光线。

这下子算是可找到黑洞的双胞胎——白洞啦。白洞内部，无论内外向，指向未来的光线总是膨胀的；白洞的视界就跟那些恰好面积不变的未来内向光线重合。

3，不可穿越虫洞，极端黑（白）洞（预警：理解难度飙高）

黑洞视界，那些面积不变的未来外向（过去内向）光线，可以称之为未来视界；

白洞视界，那些面积不变的过去外向（未来内向）光线，可以称之为过去视界。

在延拓后的时空里（继续对比一下拓展为无限延申的抛物线找找感觉），这两组视界如果能相交，那么相交的球面就是一个不可穿越的虫洞，传说中的爱因斯坦-罗森桥。如果不能相交，那么这种情况，两个视界都叫极端视界。关于极端视界更深入的东西就不聊了。

对于爱因斯坦罗森桥，单单一个命名肯定还不够，还是需要补充若干知识点，继续讨论才能把完整的物理图像建立起来。

在延拓后的时空里，无论内外向光线，所围球面的面积可以在0到正无穷之间任意取值（0面积的球面对应奇点，第三遍对话有专业能力的小伙伴，活用守恒能量的定义做计算，此结论可秒得）。

先看看黑洞内部，未来内外光线都收缩，就是说过去内外光线都膨胀。过去外向（未来内向）光线能延伸回到黑洞视界，过去内向（未来外向）的光线，在延拓后的时空里，也能延伸到面积等同于视界面积的位置。继续往过去延申，遇到的其实是新区域。这是因为，黑白洞内部的球对称的面，面积肯定比视界面积小。做延拓之前的有现实意义的黑洞外部球对称面才比视界面积大。

有现实意义区域的球对称面又能看成这两束光线的交集：从黑洞内部出发过去外向（未来内向）光线，从白洞内部出发未来外向（过去内向）光线，两者的交集。

新区域却是被我们沿着从黑洞内部出发的过去内向（未来外向）光线认识到的，可以对偶地认为新区域里的球对称面，能看成这两束光线的交集：从黑洞内部出发过去内向（未来外向）光线，从白洞内部出发未来内向（过去外向）光线，两者的交集。

新区域跟有现实意义的黑洞外区域很像。可以给起个夸张的名字：镜像宇宙。叫成平行宇宙也由得你。

这一串逻辑游戏似的讨论，可以通过在纸上画画图简单地把握。取向上为未来方向，向右为指向外部的方向。45度上偏右的线代表未来外向光线（记得标个箭头），箭头取反就都懂了。然后照着讨论画一遍，应该都懂了（要我来画就下次一定）。真的懂了的话，欢迎来吹下牛：我在不用任何公式的情况下学会了Kruskal坐标！

假定小伙伴画了图有回来听我唠叨。图里任何一个点都代表着一个球对称面。图是二维的，被当作点的球面也是2维的，补起来恢复四维时空了。图上应该会有个大交叉，代表面积正好不变的两束光线。右边往上的部分是黑洞视界，往下的部分是白洞的视界。左边是镜像宇宙里的黑（白）洞视界。岔开的地方就是爱因斯坦罗森桥。怎么看呢？画一条水平线过分叉点，水平线代表了三维空间。无论是从左往右看还是从右往左看，分叉点的位置都是面积最小的地方。也可以拿个花瓶来跟网上搜到的虫洞艺术图比对比对找找感觉，只不过跟这里纸上的图不同的是应该认为圆周代表了球面。反正都有个面积最小的腰身吧，那个地方叫做虫洞的喉部。

如果画的过分叉点的竖直线，那么就会发现线上分叉点的过去部分在白洞内部，未来部分在黑洞内部。解释为爱因斯坦罗森桥把白洞区与黑洞区连接起来，也没有什么不可以。

为什么说这样的虫洞不可穿越，看看图就知道了。没有物质或者辐射能超过光速，在图上就表示为质点或光子在时空里描绘出的线（给个名字，世界线），一定是被夹在两束45度直线之间的（禁止开车），或者就是躺在其中一束45度直线上面。从有现实意义的区域过去镜像宇宙，肯定是大体上是平的，得超光速了。

还能引出一个有意思的图像。过分叉点画一条平的线，然后再未来方向又画一条平的线，这两条线可以理解为不同的两个时刻。第一个时刻，全空间里面积最小的那个腰身，即爱因斯坦罗森桥喉部，面积正好就是视界面积。第二个时刻，线上有一段被黑洞视界与镜像黑洞视界夹着，全空间面积最小的腰身就没有视界面积大了。这可以解释为，爱因斯坦罗森桥喉部随着时间推移，半径方向一边变长，球面方向一边收缩。那么对试图穿过喉部的东西而言，就是这个半径方向拉长导致ta穿不过去。不单过不去，球面方向还得收缩，ta就等着被压成意大利面好了。

4，一些闲话

参考文献就免了吧。建议在arXiv上找Hayward等写的文章，或者多翻翻几部经常被cue到的教材（梁灿彬老师的微广下册？）。

可能第3节的“继续讨论”部分难度骤然飙高。不过我注意到已经有知友介绍过Kruskal坐标，有专业能力的小伙伴可以在这套坐标系下印证一下上述物理图像。另外，算算动态黑洞里内外向光线的膨胀也是个不错的练习。

看情况可能会补记一个计算：球对称时空里，径向光线膨胀的万能简单公式。

第一：没有白洞这种家伙的存在，他只是研究黑洞的时候对黑洞内部空间的解的一种解释说法，不具有任何观测意义。

第二：黑洞是一种密度极大的天体，密度大到半径足够小，质量足够大，第一宇宙速度超过光速，也就是说，在其表面，光的速度也不够脱离。这个东西最早就是在人们得到第一宇宙速度公式之后猜想出来的，而爱因斯坦发现广义相对论之后，我们有足够的物理工具将他的细节描述出来了。他也是我们所描述的最好的“东西”，因为它足够简单。

第三：虫洞是另外一种存在。和黑洞白洞没有任何关系。

白洞只是对黑洞物质去向的一种猜测，目前并没有证据证实这种天体的存在。黑洞就不用说了，大家都知道。而虫洞基于以下的猜想：空间并不是平的，而是存在很多皱折，就像一张揉过的纸，如果有一只虫子，为了快速穿越两点而在两个皱褶之间啃出一个洞，就是虫洞。而黑洞强大的引力被作为空间会发生折叠的一种解释，两者并没有直接的关系。

理想的情况是黑洞白洞是虫洞的出口和入口，可惜现在几乎没有证实这一猜想的证据。

【027、黑洞悖论】

黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，最终黑洞将因为质量丧失殆尽而消失，而那些黑洞内部的信息也就不知去向。这便是所谓的“黑洞悖论”。（悖是指错误荒谬的）

悖论错误

7月14日《新科学家》网站报道，英国物理学家史蒂芬·霍金将在21日举行的一次国际会议上发表最新研究论文，承认他20多年前提出的“黑洞悖论”是错误的。报道说，在坚持“黑洞悖论”近30年后，霍金向“第17届国际广义相对论和万有引力大会”组织者提出，他的最新研究将解决这个悖论，并要求出席21日将在爱尔兰举行的此次大会，公布自己的论文。1976年，霍金称自己通过计算得出结论，黑洞一旦形成，就开始向外辐射能量，但这种辐射并不包含黑洞内部物质的“信息”。最终黑洞将因为质量丧失殆尽而消失，而那些黑洞内部的信息也就不知去向，这便是所谓的“黑洞悖论”。

霍金的上述理论与量子物理学的理论背道而驰。量子物理学认为，类似黑洞这样质量巨大物体的信息是不可能完全丧失的。霍金对之解释说，黑洞巨大的万有引力场在某种程度上破坏了量子物理学的理论。

据该网站报道，尽管霍金并未透露他的新论文的内容，但出席这次大会的黑洞物理学专家加里·吉本斯向该网站透露，霍金最新理论大体上是说黑洞在很长时间内持续辐射能量与信息，最终会向外展开，将内部信息也完全释放。

社会评价

科学态度更令人尊重——现在回想起来他的旧理论未免有点过于‘对称’，熵随着宇宙的膨胀而增大又随着宇宙的收缩而减少，把结束倒过来就是起始。他提出黑洞能发射辐射(即霍金辐射)的预言现在已是一个公认的假说。不过一个成就卓著的科学家以非常的勇气修正以前的思路，不断引导人们对黑洞的认识从必然王国向自由王国迈进的科学态度更令人尊重！

【028、黑洞不论大小辈分，“吃相”都一样！】

2021-05-19 科学大观园

一项最新研究表明，吸积作用（即黑洞在消耗物质时的演化方式）与黑洞的大小无关。

当一个超大质量黑洞吞噬一颗恒星时，它表现出的

特性与比它小得多的恒星质量黑洞如出一辙。

2018年9月9日，天文学家们利用全天超新星自动探查项目（ASASSN）在8.6亿光年之外捕捉到了一个闪现的耀斑信号。他们随后确定，该耀斑由一个质量约为太阳5000万倍的超大质量黑洞的潮汐破坏事件（tidal disruption event）导致。这个黑洞被命名为“TDE AT2018fyk”。

欧洲南方天文台（ESO）、英国剑桥大学、美国麻省理工学院等科研机构的研究人员在利用多台望远镜观察该天文事件后惊讶地发现：不同大小的黑洞在吞噬物质时的表现和特征十分相似。这颗通常情况下很安静、但引力极强的巨型天体突然苏醒后，吞噬了一颗经过的恒星。当恒星碎片落入其中时，黑洞便以光的形式释放出巨大能量。他们在《天体物理学杂志》中发文表明，吸积作用（即黑洞在消耗物质时的演化方式）与黑洞的大小无关。这也是科学家第二次从头到尾完整地捕捉到日冕的形成过程。

论文作者、麻省理工学院卡弗里天体物理和空间研究所的研究科学家Dheeraj“DJ”Pasham介绍道：“我们已经证明，如果你看到了一个黑洞，那就等同于你认识了所有黑洞。在某种意义上，当你向它们抛出气体球时，它们的反应都差不多。就吸积作用而言，它们属于同一种‘野兽’。”

当质量约为太阳10倍的小恒星质量黑洞发出一束光时，这通常是对来自伴星的流入物质所产生的反应。这种辐射爆发现象造成了黑洞周围区域的特殊演化。当恒星物质被吸进黑洞时，黑洞从静止状态过渡到吸积盘控制下的“软”阶段。随着物质流入量的减少，黑洞会再次转入“硬”阶段，由白热的日冕接管。最终，它将回到稳定的静止状态，整个吸积周期可以持续几周到几个月不等。

几十年来，物理学家们曾在多个恒星质量黑洞中观察到过这种特征的吸积周期。但对超大质量黑洞而言，该过程需要很长时间才能被完全捕捉，因为这些庞然大物通常是“食草动物”，在星系中心区域缓慢地吸食气体。

据估计，该黑洞以潮汐方式扰乱了一颗太阳大小的恒星。在该过程中，黑洞上出现了一个巨型吸积盘，大约120亿千米宽，并释放出约40000开尔文（超过70000华氏度或38871摄氏度）的气体。随着吸积盘变得越来越黯淡，一个致密的高能量X射线日冕便成为黑洞周围的主导相位，直到吸积盘最终消失。

Pasham指出：“人们已经知道这种周期会出现在恒星质量黑洞上，它们的质量只有太阳的10倍，而现在我们看到的这个黑洞的规模还要大近500万倍。”

论文第一作者、欧洲南方天文台研究员的Thomas Wevers评论道：“这种潮汐破坏事件为我们提供了一个窗口，以了解与超大质量黑洞接近的复杂天体结构的形成过程，比如吸积盘和日冕。”

◎编译 | 朱明逸◎审稿 | 西莫◎责编 | 陈之涵

◎期刊来源 | 《天体物理学杂志》◎期刊编号| 0004-637X

◎原文链接：https://news.mit.edu/2021/supermassive-black-holes-stellar-mass-0514

【029、黑洞的质量上限是多少？】

2021-04-23 科学宇航员

万事万物皆有其度，一旦过度就会发生质的变化，宇宙天体也遵循这个道理。但是黑洞的“度”却仍让我们琢磨不透。

黑洞小到可以成为基本粒子，大到我们还不知道它的限度在哪里！

物理学家们分析足够强大的强子对撞机里面的一些粒子进行对撞的时候，很有可能撞出基本粒子级的黑洞，这种黑洞小到比原子还要小得多，甚至可以说比夸克都要小得多，这样的黑洞寿命也很短，它们产生之后会在极短的时间中通过霍金辐射蒸发掉。

但是宇宙间的黑洞质量都很巨大，它们大致可以分成两种，一种恒星级黑洞，一种是星系级黑洞，恒星级黑洞都是通过大质量恒星发生超新星爆发之后产生的，最小的恒星级黑洞的质量也在太阳的三倍以上；而星系级黑洞则直接产生宇宙之初，是由当时宇宙中物质极度密集的区域中直接形成的，这类黑洞大都质量巨大，它们之后大都成为了星系的中心，也可以说它们是星系的缔造者。

已知最大的黑洞是Ton618，这是一个类星体黑洞，中心黑洞的质量大约为太阳的660亿倍，但是它的外围是围绕它高速旋转的吸积盘，这个吸积盘发着极其明亮的光，光度是太阳的150万亿倍，至少相当于2000个银河系的亮度。

但是很显然，660亿倍太阳质量并非黑洞的质量上限，天文物理学家们也说不清黑洞的质量上限到底在哪里？但是万事万物总会有个限度，黑洞虽然可以不断吸收物质，但它的质量不断地增加，总会有一个限度导致它不能承受，这时候黑洞就有可能发生爆炸。

没有人知道黑洞的质量上限，但是却有人将黑洞联系到宇宙的诞生上，宇宙大爆炸理论认为，我们的宇宙诞生于一个奇点，这个奇点汇聚了宇宙的能量和质量，在某一刻它发生了巨大的爆炸，我们的宇宙由此诞生，时间也从此开始。

巧合的是，如果我们将宇宙的质量代入计算黑洞的史瓦西半径公式会发现，如果我们的宇宙是一个黑洞的话，那么这个黑洞将比我们所在的可观测宇宙还要大一些（我们的宇宙有一部分不可观测）。

天文学家们推测黑洞的中心会有一个奇点，这个奇点汇聚了黑洞中的绝大部分物质和能量，将它和宇宙大爆炸的奇点联系起来，会让人觉得它们的性质在某些方面十分相似。因此也有人猜测我们的宇宙很可能是黑洞中的奇点发生爆炸形成的，由于这个奇点吸收了太多的物质，达到了黑洞所能承受的质量上限，所以才发生了大爆炸，产生了我们的宇宙，这种假说有一定的合理性，所以也有人揣测黑洞的质量上限或者和我们的宇宙总质量差不多，当然这种猜想还需要理论物理的推理和天文方面的观测来验证。

【030、黑洞定律】

黑洞力学四定律是有关黑洞的四条定律，它们在形式上很类似热力学四定律。外文名The laws of black hole，发现者贝肯斯坦和斯马尔。

内容

热力学四定律：

第零定律：若两系统分别与一系统处于热平衡态，则这两个系统之间处于热平衡态。

第一定律：dU=dW+dQ

第二定律：孤立系统的熵随时间不会减少

第三定律：不可能通过有限步骤达到绝对零度。

黑洞力学四定律：

第零定律：稳态黑洞表面引力为常数。

第一定律：dM=k/8π dA+ΩdJ+VdQ（自然单位制c=G=h bar=1）

其中，M,k,A,Ω,J,V,Q分别为质量（能量），表面引力，表面积，转动角速度，角动量，表面静电势，电荷。

与之类比：dU=TdS+ΩdJ+VdQ

其中，U,T,S,Ω,J,V,Q分别为内能，温度，熵，转动角速度，角动量，表面静电势，电荷。

第二定律：黑洞面积随时间不会减少。

第三定律：不可能通过有限步骤使表面引力降为0（达到极端黑洞，即产生裸奇点）

黑洞定律

贝肯斯坦和斯马尔各自独立发现了黑洞各参量之间的一个重要关系式，发现黑洞的静止能，转动动能，电势能三者之间存在相互转化关系.这一公式与热力学第一定律表达式非常相似，而且表达的内容也是能量守恒定律.这一公式被称为黑洞力学第一定律.

在热力学中我们知道，并不是所有满足能量守恒的过程都可以实现，只有同时满足第二定律：封闭系统的熵不能减少这一条件才可以实现.熵增原理是一条与能量守恒有同等地位的物理学原理.实践证明，只要忽略这一原理就会不可避免的遭到失败。1971年，霍金在不考虑量子效应，宇宙监督假设和强能量条件成立的前提下证明了面积定理：黑洞的表面积在顺时方向永不减少。真实的时空都满足强能条件，即时空的应力不能太小，由一个公式描述。两个黑洞合并为一个黑洞面积增大，因此可以实现。但一个黑洞分裂为两个黑洞，面积减小，因此即使满足能量守恒也是不可能实现的。在面积定理约束下，两个等质量黑洞合并，若面积不变可以放出约30%的黑洞能量.面积定理很容易使物理学家们联想到第二定律的熵，它是唯一显示时间箭头的物理定律。贝肯斯坦等人通过黑洞的微观分析，认为黑洞的确存在与面积成正比的熵.面积定理是热力学第二定律在黑洞力学中的具体体现。

先介绍一个概念：黑洞的表面引力。表面引力就是将物体放在视界处（若黑洞旋转就认为物体与视界一起旋转，与视界相对静止）受到的引力场强度.一个系统存在熵就存在温度，在视界面积与熵成正比的前提下容易证明表面引力与温度成正比.前几期提到的极端黑洞证明它们的表面引力为零.也就是说，极端黑洞是绝对零度的黑洞.热力学第三定律告诉我们，不能通过有限次操作把温度降到绝对零度.因此可以存在黑洞力学第三定律：不能通过有限次操作把一个非极端黑洞转变为极端黑洞.它与彭若斯的宇宙监督假设是等价的.它是一条独立于第一定律与第二定律的公理.

热力学还有个第零定律：如果物体A与B达到热平衡，B与C达到热平衡，则A与C也一定达到热平衡.如果类比正确，应该指望黑洞存在一条类似的第零定律.目前已经证明稳态黑洞表面引力是一个常数.人们把这一结论称为黑洞力学第零定律.

因此，黑洞表面引力相当于温度，表面积相当于熵.如果是真温度，黑洞就是个热力学系统，应该存在热辐射，但通常对黑洞的理解是一个只进不出的天体，不会有热辐射.因此1973年前霍金等人强调,黑洞温度并不应该看作真正的温度，因此上述定律没有被称为黑洞力学斯定律.然而1973年霍金发现，黑洞存在热辐射，上述四定律的确就是热力学四定律.

黑洞

带电黑洞又称R-N黑洞，它与不带电黑洞的区别是，它有两个视界。落入黑洞的飞船，一旦穿过外视界，就不可抗拒的穿越内外视界间的空间，但穿过内视界后，飞船将自由的飞翔。在那里飞船不至于落到中心奇点上。在奇点附近有巨大的天体引潮力，会把包括飞船在内的所有物质全部撕碎。不过飞船可以避开奇点。后来研究表明，飞船根本不可能靠近中心奇点，只有光才可以抵达那里。任何有静质量的物体都不能在有限时间内到达奇点。进入内视界之后，还可以从另一个宇宙中的白洞穿出，进入另一个宇宙。这就是带电黑洞的虫洞。这类虫洞是可以穿越的，也就是说我们有可能进入另一个宇宙。

如果不断增加R-N黑洞的电荷，将出现内外视界合二为一的局面。这时的黑洞称为极端R-N黑洞。如果再对极端黑洞加一点电荷，则视界消失，奇点将裸露出来，产生"裸奇异"现象。按目前的观点，奇点不属于时空，那里的性质完全不确定，裸奇点往往会向外发出不确定信息，导致时空和物质演化完全不确定。为了避免这一现象的出现，彭若斯提出了宇宙监督假设：存在一位宇宙监督，它禁止裸奇异的出现。只要把奇点用视界包起来，它发出的不确定信息就不会跑出黑洞，因此不会影响宇宙的演化。但是在内视界内部，进入黑洞的人仍可能看到奇点，仍会受它们的奇异性的影响。彭若斯改进他的宇宙监督假设，认为内视界内部的时空是不稳定的，在微扰下它会"倒"在内视界上阻止飞船进入这类区域。最近的研究表明，内视界内部的确有不稳定的倾向。因此，如果他的假设成立，这类虫洞仍是不可超越的，我们仍然不能进入另一个宇宙。但是，"宇宙监督"究竟是什么？这就像当年不了解大气压强而提出的"自然界害怕真空"一样，提出"自然界害怕奇点"。在物理学上没有解决任何问题。如果假设正确，它必定是一条物理定律。也许是我们还不知道的一条定律，但更可能是我们已经知道的一条定律。随着黑洞热力学的深入发展，物理学家们已经越来越肯定，宇宙监督极有可能就是热力学第三定律：不可能通过有限次操作将温度降到绝对零度。

黑洞演变

黑洞的吸积——黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。目前观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。对吸积黑洞光度和光谱的分析为旋转黑洞和视界的存在提供了强有力的证据。数值模拟也显示吸积黑洞经常出现相对论喷流也部分是由黑洞的自转所驱动的。

黑洞拉伸，撕裂并吞噬恒星天体物理学家用“吸积”这个词来描述物质向中央引力体或者是中央延展物质系统的流动。吸积是天体物理中最普遍的过程之一，而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂，进而通过吸积周围气体而形成的。行星（包括地球）也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。但是当中央天体是一个黑洞时，吸积就会展现出它最为壮观的一面。然而黑洞并不是什么都吸收的，它也往外边散发质子.

黑洞的蒸发——由于黑洞的密度极大，根据公式我们可以知道密度=质量÷体积，为了让黑洞密度无限大，那就说明黑洞的体积要无限小，然后质量要无限大，这样才能成为黑洞。黑洞是由一些恒星“灭亡”后所形成的死星，他的质量很大，体积很小。但是问题就产生了，黑洞会一直存在吗？答案是错误的，黑洞也有灭亡的那天，由于黑洞无限吸引，但是总会有质子逃脱黑洞的束缚，这样日积月累，黑洞就慢慢的蒸发，到了最后就成为了白矮星，或者就爆炸，它爆炸所产生的冲击波足以让地球毁灭10^18万亿次以上。科学家经常用天文望远镜观看黑洞爆炸的画面。它爆炸所形成的尘埃是形成恒星的必要物质，这样就能初步解决太阳系形成的答案了。

黑洞的毁灭——萎缩直至毁灭——黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。当英国物理学家史迪芬·霍金于1974年做此预言时，整个科学界为之震动。

霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃，他结合了广义相对论和量子理论。他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量（参考霍金的《时间简史》，我们可以认定一对粒子会在任何时刻、任何地点被创生，被创生的粒子就是正粒子与反粒子，而如果这一创生过程发生在黑洞附近的话就会有两种情况发生：两粒子湮灭、一个粒子被吸入黑洞。“一个粒子被吸入黑洞”这一情况：在黑洞附近创生的一对粒子其中一个反粒子会被吸入黑洞，而正粒子会逃逸，由于能量不能凭空创生，我们设反粒子携带负能量，正粒子携带正能量，而反粒子的所有运动过程可以视为是一个正粒子的为之相反的运动过程，如一个反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子从黑洞逃逸。这一情况就是一个携带着从黑洞里来的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的总能量少了，而爱因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的损失会导致质量的损失）。当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。这样，当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计，因为大黑洞辐射的比较慢，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑洞的爆炸。

黑洞划分

1972年，美国普林斯顿大学青年研究生贝肯斯坦提出黑洞"无毛定理"：星体坍缩成黑洞后，只剩下质量，角动量，电荷三个基本守恒量继续起作用。其他一切因素（"毛发")都在进入黑洞后消失了。这一定理后来由霍金等四人严格证明。

由此，根据黑洞本身的物理特性，可以将黑洞分为以下四类。

⑴不旋转不带电荷的黑洞。它的时空结构于1916年由施瓦西求出称施瓦西黑洞。

⑵不旋转带电黑洞，称R-N黑洞。时空结构于1916-1918年由Reissner（赖斯纳）和Nordstrom（纳自敦）求出。

⑶旋转不带电黑洞，称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。

⑷一般黑洞，称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。

⑸与其他恒星一块形成双星的黑洞。

基本特性

“黑洞”的基本特性

1．黑洞的类别和结构、形态特点

显然，所有黑洞都应是具有极其大量（大型的黑洞）或极高密度（微型的黑洞）的两类实物粒子集团。它们的特性、状态，乃至粒子间相互作用（包括远、近程，及过渡型）也因而会显著地不同。对于大型的黑洞，由于其质量和体积巨大，包含的粒子众多。其中各部分的密度分布和状态也都可能很不均匀，各部分粒子间相互作用的性质也因而会显著地不同。

2．“物体”内的光子{b} 因受其引力而不能远离的“事界”

当引力的作功[W引内（r{b-c}(a⑶)r{b’-c}(a⑶））]= 光子{b}沿[矢r{b-c}(a⑶）]

向外逃离该“物体”质量中心{c}的动能h频率{b}(a），光子{b}就不能再远离该“物体”的质量中心{c}，{b’}点就是在{b}处的光子{b}因受该“物体”内各粒子的引力，能逃离该“物体”质量中心{c}的最远点。当该“物体”的质量足够大，一定动能的光子就可能逃不出相应的“事界”。由于光子{b}沿 [矢r{b-c}(a⑶）]的动能：h频率{b}(a），由其频率与3维空间速度决定，因而频率较高的光子仍能逃出频率较低的光子逃不出的“事界”（若{b’}点已出该“物体”之外，则其在逃出该“物体”后的部分，还须按[矢F引外{b-c}(a⑶）]计算其不能远离的“事界”）之外，但还会因受引力作功而降低其动能光子会降低其频率。

在“黑洞”附近的质点，受其引力，会改变其运行轨道，若进入到该物体相应的“事界”之内，会被该物体或“黑洞”吞并；若其向外的动能使其仍能坚持逃到该物体相应的“事界”之外，就可能逃离该物体或“黑洞”而按新的轨道运行。

2002年10月17日出版的英国《自然》杂志已有这种实例报道：5月，观察到人马座A*的引力迫使绕它运转的恒星S2，在其最近点以每秒5000公里的极高速度逃离其虎口仍按椭圆轨道绕其运行。

2004年2月18 日，美国航天局的科学家们根据两颗卫星发回的数据，证明离地球约7亿光年处，有一个约1亿个太阳大的黑洞将一个约1个太阳大的星球撕裂并吸入了它的约1%，而剩下的得以逃离。

这些都证实这个论断。

3．“红巨星”、“白矮星”、“中子星”的形成

当某星体或“黑洞”内一定区域的状态（压力、温度、密度）高到一定程度后，

其中的某些原子会发生辐射乃至核反应而发射出高动能的实物粒子（包括阿尔法，贝塔射线等）和（或）一定谱线的光子（包括热辐射、可见光、紫外线、X射线、咖玛射线等）。对于质量不太大的星体，这些粒子降低动能后，还可能会逃出其“事界” 之外，且当相应核反应的物质逐渐耗尽，以及辐射和表层物质的向外抛射，而降低其内的状态，就会成为“红巨星”。或在一定条件下吸收在其周围的核反应物质，而成为“白矮星”、“中子星”。

4．“双星”现象

也可能在辐射和表层物质的向外抛射进行一段时间后，状态逐渐降低到一定程度，会逐渐停止核反应和发射高动能粒子。若在其附近有另一星体或“黑洞”（若两者的质心都处于各自相应的“事界” 之外，相互的引力与各自的离心力平衡，因而不会彼此相撞或合并），逃出前者的粒子会进入后者的相应“事界”而被其吞并。如此到一定程度，后者内一定区域的状态也可能高到发生辐射乃至核反应而发射出高动能的实物粒子和（或）光子。逃出的粒子也会被前者吞并，如此反复。由于仍会有部分粒子会逃出两者之外，其间的轨道还会周期性的缓慢缩小，在一定时期内，形成两者间反复喷射、吞并、彼此循环消长的一种“双星”现象。

这一现象也早已被报道观测到的一对相互公转的中子星，双脉冲星PSR1913

+16，所证实，并且成为广义相对论最精确的验证。

“黑洞” 可能“热辐射”，还可能辐射出“可见光” 、“紫外线” 、“X射线”甚至“咖玛射线”，以及相应能量的实物粒子。并可能正是所谓“宇宙背景辐射”的源头。

各类光子的波长与动能见下表：（数字）=10^（数字）

各类辐射的动能与其频率成正比，各类辐射的动能=h频率{b}(a)

=(6.6252+或-0005.）频率{b }(a) (-27）（尔格）。

热辐射红外线可见光紫外线 X射线射线

波长（厘米）更长 5. (-2) 2. (-5) 5. (-5) 5. (-7) 1.(-10)

⒌ (-2)2. (-5)5. (-5) 5. (-7)1.(-10) 更短

频率（次/秒）更低 1.5⑿ 6.0⒁ 1.5⒂ 1.5⒄ 3.0⒇

⒈5⑿ 6.0⒁ 1.5⒂1.5⒄ 3.0⒇更高

动能（尔格）更小 9.9(-15) 4.0(-12) 9,9(-12) 9,9(-10) 2.0(-6)

⒐9(-15) 4.0(-12) 9,9(-12) 9.9(-10) 2,0(-6）更大

它们的动能相差悬殊。因而，波长比最短可见光波长更短的“光子” 仍能逃出能使最短可见光波长的“光子”也不能逃出其“事界” 的“黑洞”。但这些光子因受引力作功还会大大降低其频率，乃至成为“热辐射”。甚至，在较小“黑洞”内的中心部分，或者很大的“黑洞”内接近边缘处，还会因核聚变发出的高能光子（实际上，“黑洞”并不均匀，在其某些局部，在一定条件下，可能发生光辐射甚至核反应）还可能成为“可见光”、紫外线”、“X射线” 甚至“ 射线” ，以及相应能量的实物粒子，而逃出其“事界”。由此，同样给出霍金所预言的：“黑洞可能热辐射”，并进而指出：还可能辐射出“可见光” 、“紫外线” 、“X射线”甚至“ 射线”，以及相应能量的实物粒子。

而且，由于“黑洞”在各星系中心的普遍存在，而其中发出的强辐射经其引力作用而降低频率后，逃出其事界，而可能正是所谓“宇宙背景辐射”的源头。

6．吞并而成大的“黑洞”

若某星体或“黑洞”的质心进入在其附近另一星体或“黑洞” 的相应“事界” 之内，前者会被后者吞并而成为一个大的“黑洞”。此新“黑洞” 的相应 “事界”须如前所述，由其总质量及其相对其质心的分布状况计算确定。

路透社华盛顿2002年11月19日电报道：天文学家利用美国航天局钱德拉X射线天文台收集的数据，首次证明：在一个蝴蝶形的星系中发现两个彼此环绕运动的，每个的质量至少相当于100万个太阳的特大质量黑洞。它们都有力地把其周围的物质吸引过去。钱德拉天文台的一份报告说，这两个黑洞在几亿年后会彼此融合成一个质量更大的黑洞，并释放出强烈的辐射和引力波。

7．黑洞发生强辐射，乃至发生爆炸、喷发

有关各粒子团都因引力作用而逐渐靠近的结论，也是仅按中性粒子团在远程相互作用，且各粒子团间距离始终足够大，引力始终是其间的相互作用力，的条件下才正确。反之，在某些局部，当各粒子团间距离减小到一定程度，各粒子团就应区分为带有正、中、负性的不同电荷的更小粒子团，而其间的相互作用就应按带电粒子过渡型或近程计算，其结果就会与仅按中性粒子间引力计算的完全不同，而通常的核反应都是在一定的状态条件下，由近程相互作用产生的。

某些特大的黑洞（甚至在其吞并其它物质的过程中，乃至在其视界附近）内一定区域的高状态还可能引起释放大量能量的剧烈核反应，而使其内部一定区域的状态继续急骤上升，发生强辐射，乃至发生爆炸、喷发。

某些特大的黑洞内一定区域（甚至在其吞并其它物质的过程中）的高状态还可能引起释放大量能量的剧烈核反应，而使其内部一定区域的状态继续急骤上升，甚至发生爆炸、喷发，乃至分裂成几个部分，而各自运转。

路透社西雅图2003 年1月6日电报道：天文学家今天在美国天文学会于西雅图召开的会议上说，利用钱德拉X射线天文台发现在银河系中心处，质量相当于300万倍太阳的，称为“银河系核心”的黑洞可能几乎每天都出现无数次喷发，偶尔还会发生大规模爆炸。这些闪烁发生在黑洞视界附近，其原因不得而知；但它们放射的X射线相对较弱，意味着它是个“挨饿的” 黑洞（提交这项研究成果的科学家之一，麻省理工学院的弗雷德里克·巴加诺夫说：“我们的黑洞基本上每天都要发生这类闪烁” “出于某种原因，他拒绝吃东西…大多数涌过来的物质它似乎都拒绝吞噬”。他在新闻发布会结束后说：“它吃不饱。我们认为我们知道它能获得多少物质…，如果那些东西全被吃掉了，它至少应该比现在亮100万倍）。

巴加诺夫所说的“吞噬”、“吃掉”应是发生了“核反应”。若吸入大量粒子后，其中大部分仍保持在远程中性粒子间引力的相互作用条件下，就不会发生“核反应”，而出现巴加诺夫所说的“吃不饱”。他们观测到的在黑洞视界附近的X射线闪烁，也正好证实了本文前述：“在‘黑洞’内较近边缘的局部发生‘核反应’而发出的高能光子还可能成为‘可见光’‘X射线’ 甚至‘射线’而逃出其‘事界’”的论断，并可解释产生这现象的原由。

通常仅按中性粒子间引力计算得到的某些结论（如“黑洞”会因自身引力作用而逐渐坍缩成为“奇点”，宇宙会因而消灭，等）也都是无视这一重要因素而导致的错误结论。

8．对黑洞初生现象的预测已得到实际观测的证实，“雨燕”听到了“黑洞诞生的啼哭”！

按对黑洞的理论分析，巨大的星球，发生碰撞，或在引力作用下发生坍缩，产生一定范围内的高密度区，其中某些高状态区域内，粒子间是近程的相互作用，而发生核反应，就会辐射伽马射线。当此范围内总质量足够大，就形成黑洞。其内部还会继续辐射伽马射线，就会有X射线、可见光、乃至热辐射逃出。因此人们就把星球碰撞，辐射伽马射线，形成黑洞；继而有X射线、可见光、乃至热辐射，从其中逃出的预测，说成是“黑洞诞生的啼哭”。

为了探测这一黑洞诞生之谜，由美国航天局和意大利、英国联合制的，造价2.5亿美元的，以旋转和瞄准快速的“雨燕”天文卫星，于2004年11月发射，现由位于格林贝尔特的戈达德航天中心的学家们控制。2005年5月9日早些时候，“雨燕”天文卫星终于监测到两颗高密度中子星碰撞产生的伽马射线暴，在整个宇宙空间都可看到。约一分钟后，“雨燕”所携带的可见光和X射线望远镜就对准了中子星发生碰撞的方向。记录了所逃出的X射线，但未能捕捉到微弱的可见光，而他们及时通知了地面望远镜使它观测到了碰撞所产生的余辉。从而，证实了这一预测。“雨燕”听到了“黑洞诞生的啼哭”！

9．“太空圆周率（Pi of the Sky）”项目首次拍到黑洞诞生视频画面

通常观测伽马射线暴，须由人造卫星伽马射线探测器发现后，向望远镜和其它探测器报警，再由各探测器的信号分配和望远镜的转向对准才能观测。这个过程要花费许多时间，致使很难观测拍摄到第一时间的射线爆发。

然而，“太空圆周率”计划则有所不同，增加了及时观测伽马射线暴的可能性，该项目的监控仪器对太空大部分区域进行持续性观测，在由人造卫星获得闪光来源信息后，就能够独立地每隔10秒探测到相应的闪光现象。

目前，“太空圆周率”项目包括两个摄像仪，安装在智利拉斯坎帕纳斯天文台。

2008年3月31日，据国外媒体报道，近期，科学家用它已从地球上拍摄到最明亮的一次被称为“GRB 080319B”的宇宙伽马射线暴，可能是由于超大质量恒星死亡形成黑洞时的宇宙爆炸导致的。因而，这也是迄今第一次拍摄到黑洞诞生的视频录像。

该项目的摄像仪在4分钟内以每10秒进行拍摄，视频成像显示超大质量恒星爆炸时非常明亮，肉眼也罢可观测到爆炸持续20秒。在4分钟后逐渐变得比明亮时暗淡100倍。之后由大型望远镜继续观测。

观测数据结合“雨燕”人造卫星伽马射线数据首次观测到太空伽马射线暴发时最初10秒之内的光学喷射的场景。这种信息资料对于理解释放如此巨大能量的太空事件是至关重要的。

这次观测成果证实了“太空圆周率”项目的有效性。

“太空圆周率”项目目前还有32个新型摄像仪正处于修建中。它们投入使用后可不间断地覆盖三分之一太空可视区域。

这项新颖的太空观测项目计划对太空3.14球面度（立体角单位）进行覆盖观测，因此而被命名为“太空圆周率”。同时，该计划的命名还用于纪念一生提供了大量关于理解伽马射线暴的理论和数据，于去年逝世的天体物理学家约翰·布朗克所撰写的《太空圆周率》。

10．对黑洞“吸积盘”的半径和旋转速率进行了观测研究

2006年11月20日的《天文物理期刊》发表，美国哈佛—史密森天文物理中心Jeffrey McClintock领导的一个研究小组，利用美国宇航局（NASA）的罗西X射线时变探测器卫星，测量出了GRS1915黑洞发出的气体喷射的X射线光谱。

对该黑洞最深处稳定的圆形区域——“吸积盘”的中心部分进行了研究，计算出该“吸积盘”区域的半径——大约33千米，该黑洞视界的大小交错不超过50千米。并按“相对简单的公式”，由这两个数据计算得出的黑洞旋转速率。

该小组成员、理论天体物理学家Ramesh Narayan，根据GRS1915是很普通的一个，虽比有些黑洞大，但远小于潜藏在银河中心的“庞然大物”，而表示，这意味着“高速旋转的黑洞或许很普遍”，不过，他补充说，这一结论还需要收集更多的黑洞旋转速率才能确定。

Jeffrey McClintock表示，计算显示，高速旋转的黑洞能够拉动吸附物质进入一个紧密得多的圆形区域，而不是将它吸入湮灭。

马里兰大学的天文物理学家Chris Reynolds说，新测量出的尺度是很重要的，对此表示认同。不过，他谨慎表示对数据解释仍然存在不确定性。

加州大学圣克鲁斯分校的理论天体物理学家Stan Woosley还表示，精确测量黑洞的旋转速率将可能帮助于探寻难以捉摸的宇宙现象——伽马射线暴。他已经对伽马射线暴建立了电脑模型，他认为，射线暴可能是由高速旋转的黑洞引起的，但是，迄今为止，这些黑洞的旋转速率还没有被确定过。

又据美国宇航局太空网2008年1月16日报道，最新研究显示，超大质量黑洞的旋转速度接近光速。这项研究利用美国宇航局的“钱德拉”X射线太空望远镜获得的数据，发现9个巨大的星系中都有飞速旋转的黑洞，这些黑洞把能量强大的气体射流喷发到周围环境中。

这项研究的带头人、佩恩州立大学的客座研究生罗迪格·奈曼解释了他的科研组是如何用电脑模拟大量气体飞速旋转着注入超大质量黑洞，产生磁场和喷射，喷射又驱使星系中心的黑洞不断旋转，的现象，并将结果与钱德拉望远镜获得的9个星系的观测资料进行对比的结果说：“我们通过将大质量椭圆星系的观测资料与现在的喷射形成理论进行对比，能了解超大质量黑洞的自旋速度。”“我们认为这些巨型黑洞的旋转速度几乎接近爱因斯坦相对论的光速极限，这意味着它们能以光速拖拽周围的物质。”

人们无法看到黑洞，但是通过它们的重力对周围物质的影响和它们释放出的能量，可以判断出它们确实存在以及它们的质量。这种被观测到的喷射力和吸积率非常巨大，一个黑洞每月从周围环境中吞噬掉的物质的质量是地球的10倍，它每秒钟喷射出的能量是太阳一年散发出的总能量的50倍。奈曼和他的同事们正是根据这些结果，估计超大质量黑洞的自旋速度几乎接近爱因斯坦提出的光速极限。

达拉谟大学的联合调查员理查德·鲍威尔说：“对黑洞来说，及其快速的自旋可能非常普遍。这或许能帮助我们解释我们在太空中看到的延伸很远的惊人喷射流的来源问题。”这种高速自旋产生的喷射加热了周围的气体大气，有助于导致恒星诞生。然而，这种强大的喷射也能摧毁临近行星的大气层。

近日，相关人员在德克萨斯州奥斯汀举行的美国天文学会会议上发表了一篇论文，详细介绍了这项最新研究。

【031、天文学家可能终于得到第一张黑洞影像！】

2017-05-17

科学家串连全球巨型望远镜的网络所获得的观测资料，可能将开展我们对重力认识的新疆界。

1 的 10

麻州韦斯特福德──银河系中心的巨兽，其实被层层包裹。

在结束了五个晚上的观测后，科学家可能终于捕捉到有史以来第一张黑洞影像。

更确切地说，这张万众期待的照片拍摄的其实是黑洞周围的神秘区域，也就是「事件视界」（event horizon）。在事件视界内，任何东西──包括光在内，都无法逃出黑洞的魔掌。

最后一次观测在美东时间早上11点22分结束，在麻州的韦斯特福德（Westford），团队成员文森．费许（Vincent Fish）终于可以安心地在麻省理工学院海斯塔克天文台（Haystack Observatory）的办公室坐下。在过去一周内，他全天24小时待命，只能断断续续地小睡，还得把手机放在身旁，铃声调大。

当最后一笔资料抵达执行计画的天文台后，费许看到聊天专线里不断涌入给电波天文学家和工程师的祝贺讯息。有人说要打开一瓶珍藏了50年的苏格兰威士忌，还有人说他正在听着《波希米亚狂想曲》的胜利乐曲庆祝。

「我很高兴，也觉得如释重负，并期待能好好睡上一觉。」费许说。

但从压力解脱后，期望也随之而来：这么多的资料需要花时间来处理，而且团队必须等上好几个月，才能知道他们付出的大量努力是否真能换来成功。

「虽然第一批影像还是很糟，色彩也不对，但我们已经可以首次在黑洞的极端环境下，验证爱因斯坦重力理论的某些基本预测。」荷兰奈梅亨拉德堡德大学（Radboud University in Nijmegen）的电波天文学家海诺．法尔克（Heino Falcke）表示。

1915年，爱因斯坦发表了革命性的广义相对论，认为物质会扭曲时空的几何结构，而我们体验到的时空扭曲就是重力。超大质量黑洞的存在就是爱因斯坦的理论最先预测的几个现象之一。

「这种超大质量黑洞是空间和时间的最终点，并且很可能代表着人类知识的终极极限。」法尔克表示。然而天文学家只能以间接证据证明，超大质量黑洞藏身在宇宙中每个大型星系的中心。即使爱因斯坦也无法确定它们是否真实存在。

据法尔克表示，首批影像「会让黑洞从某种神秘物体，变成我们可以研究的实体。」

折磨人的天气观测

能走到今天这一步，是靠着全球各地──从夏威夷最高峰到南极冻原──天文台多年的计画与合作。这八座天文台以电子方式串连成网路，创造出一个盘面和地球一样大的虚拟望远镜。

自4月4日开始的十天观测时间内，这个称为「事件视界望远镜」的电波碟形天线网路，将目光投向了宇宙。

望远镜瞄准了两个超大质量黑洞：一个是位于银河系中心的人马座A*（Sagittarius A*），这头巨兽的质量是太阳的400万倍；另一个则是邻近星系M87中心的黑洞，质量约有太阳的1500倍。

在这之前，事件视界望远镜也曾观测过这两个超级巨兽的周围环境，但这是第一次纳入南极望远镜（South Pole telescope）和拥有66座电波碟型天线的智利阿塔卡玛大型毫米／次毫米波阵列望远镜（Atacama Large Millimeter/ Submillimeter Array ，简称ALMA）。

阿塔卡玛阵列望远镜让事件视界望远镜的敏锐度提高了十倍，甚至可以看到月球上高尔夫球大小的物体，因此能够拍摄到两个黑洞周围的极小事件视界。

多年来，研究团队一直在协调多座望远镜的观测时间，并为每个观测站配备关键的电子仪器。然而最终摆布他们的却是他们无法控制的因素──天气。

永不满足的怪兽

虽然黑洞的名称意味着虚空，但它其实是宇宙中密度最大的天体，因此有巨大的引力。恒星黑洞是大质量恒星坍塌所形成的，能将十个太阳的质量压缩到纽约市的大小。星系中心的超大质量黑洞，其质量是太阳的数十亿倍，它们的起源至今仍是个谜。

人马座A* （SAGITTARIUS A*）

1974年，科学家在人马座方向发现了一个非常致密的电波源，距离地球有2万6000光年。现在科学家已经知道这个称为人马座A*（Sgr A*）的电波源，其实是个位在我们星系中心的超大质量黑洞，质量超过太阳的400万倍。

奇异点：根据爱因斯坦的方程式，在黑洞中心，整个恒星的质量会坍塌成一个密度无限大、零维度的点，这就是奇点（singularity）。奇异点实际上可能不存在，但在我们对重力的理解中，奇异点指的是数学上的一个洞。

事件视界：事件视界在人马座A*周围延伸约1287万公里，在这个界限之内，连光都无法逃出黑洞的重力。

静止极限：黑洞的自转会扭曲空间，使周围物质的绕行速度加快或减慢。静止极限（static limit）是指在这个轨道上的物体相对于黑洞的自转速度以光速运动，看起来像是处于静止的状态。

吸积盘：在人马座A*的周围有一圈盘状的超热气体和尘埃，以接近光速旋转。盘面散发出热、电波噪音和X射线闪焰，但与其他星系中的吸积盘相比，这个吸积盘还算是温和的。

X射线喷流：虽然人马座A*现在看起来很平静，不过就在2万年前，它可能吞噬了比太阳重100倍的一颗恒星或是气体云。这顿大餐让黑洞从两极向外喷发出X射线喷流，与星系盘面呈现15度的夹角。

天文学家以毫米级的无线电波观测这些黑洞，因为在这个波长范围内，光可以穿透星系中心浓厚的气体和尘埃，相对较畅通无阻地抵达地球。

但是水能吸收也能发出无线电波，也就是说，降水会影响电波观测。

为了减少降水带来的影响，电波望远镜通常架设在高海拔的地方，例如山顶或高原的荒漠。但是，接踵而来的的云、降雨或降雪仍然会让天文台不能工作。此外，高海拔地区的强风也会让望远镜无法运作。

「要在所有观测点都有好天气的机率，几乎等于零。」费许这么说。

由于在观测期间，只有五个晚上可以有效利用，因此，费许和他的同事每天都要开会，针对是否该启动观测网路做出令人伤透脑筋的决定，还要掌控每个观测地点目前的天气状况，以及未来几天的可能变化。从麻省理工学院的天文台上，费许会在一个萤幕上持续监控每个观测站的天气，然后在另一个萤幕上与其他天文学家沟通。

在麻州剑桥的哈佛－史密松天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）担任「事件视界望远镜」计画主持人的夏普．多尔曼（Shep Doeleman）说：「令人伤心的是，当你在某个晚上启动观测网路，天气却变［糟］了，」或者取消观测后，结果当晚却是好天气。

期待好事「花生」

现在五天可供观测的时间已经结束，天文学家得等上好一阵子，并且经过数个月的资料分析，才能确定他们是否已经取得黑洞阴影影像。

每一个天文台得到的资料量都非常庞大，无法通过网路传输。因此所有望远镜产生的资料量──相当于1万台笔记型电脑的储存空间──是记录在1024个硬碟里，这些硬碟必须邮寄到麻省理工海斯塔克天文台的事件视界望远镜处理中心，以及德国波昂的马克斯．普朗克电波天文研究所（Max Planck Institute for Radio Astronomy）。

但在南极望远镜那边的硬碟，只能等到10月底当地冬季结束之后，才能空运出来。

一旦资料送到处理中心，大量的伺服器会将八个天文台所收集到以时间标记的电波信号整合起来。比对与整合无线电波必须格外小心，才不会在整合过程中遗漏了事件视界的大小与结构等关键资讯。

这种称为「甚长基线干涉测量法」（very long baseline interferometry）的电波资料整合技术，在电波天文学领域十分普遍。但是在一般情况下，望远镜的数量不会这么多，也不会如此分散。

「我们试图让这个和地球一样大的望远镜网路协调一致，光用想的就觉得不可思议。」多尔曼说。

天文学家们希望他们在整合所有信号后，能看到围绕着黑圈的光环──也就是黑洞的影子。这道新月形的光芒，来自绕行于黑洞外围、被加热到数千亿度高温的发光气体，它也刚好标示了事件视界外的区域。

有些电脑模拟的结果显示，光环的一侧可能比另一侧更厚、更亮，就像是个「无法赢得任何花生选美比赛冠军的花生。」法尔克这么说。

就算他们无法从这次的联合观测中得到影像，多尔曼和同事们也已经计画好，准备明年利用更大的电波望远镜网路再试一次。

「在未来的10年到50年，」法尔克说：「我们的望远镜网路会扩展到非洲，最后甚至到太空，那么我们就能得到非常清晰的影像了。」

撰文：Ron Cowen；编译：胡佳伶

延伸阅读：台湾主导格陵兰望远镜计画可望今年启动观测黑洞 / 原来黑洞藏在自己的废气中

【032、黑洞喷射能量形成银河系中心两巨型气泡】

2010年11月11日腾讯科技编译

据美国太空网报道，目前，科学家最新探测发现银河系中心溢出高能量放射线形成的两个巨大气泡，并认为这两个巨大的气泡源自一个超大质量黑洞的喷发。每个神秘的宇宙气泡结构直径跨越25000光年，两个气泡连接起来可覆盖可见夜空一半的区域，它们喷射着伽马射线(高能量波长光线)。

费尔米伽马射线望远镜在银河系中心发现巨大的伽马射线气泡结构

这两个气泡连接起来时其直径跨度50000光年，是整个银河系直径的一半。该结构在太阳系和银河系核心之间尽可能地延伸。

研究人员称，宇宙气泡结构表明数百万年前存在着爆炸式的恒星诞生，或者它们形成于银河系中心一个超大质量黑洞喷射大量气体和灰尘之中。美国哈佛-史密逊天体物理学研究中心的道格-芬克贝涅(Doug Finkbeiner)是该项研究负责人，他说：“目前最新发现的银河系巨大气泡结构仍存在着谜团，我们并不能完全理解它的特性或者起源。”

扫描银河系伽马射线

芬克贝涅和研究小组使用美国宇航局费尔米伽马射线望远镜观测绘制了太空伽马射线，并对望远镜观测数据进行了研究分析。据悉，该望远镜是迄今发射的最高清晰度的伽马射线探测器。

通过过滤弥漫太空中的伽马射线背景薄雾，研究人员能够探测到这个巨大气泡结构。科学家并未进行盲目性的研究分析，之前一些天文学家使用其它仪器发现在银河系中心区域潜伏着一种巨大的未知结构。

研究人员称，德国伦琴人造卫星的X射线观测结果表明巨大气泡结构的边缘接近银河系中心，同时，美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器在气泡伽马射线的位置探测到额外的无线电信号。

11月9日，芬克贝涅在接受新闻媒体采访时说：“我们肯定发现了某些事物，这些信号暗示着此前尚未发现过，但目前没有令人信服的证据。”这两个巨大气泡结构十分显眼、神秘且非常庞大。他指出，这两个巨型气泡结构释放的能量相当于10万颗超新星释放的能量。

这两个气泡连接起来时其直径跨度50000光年，是整个银河系直径的一半。该结构在太阳系和银河系核心之间尽可能地延伸。由于气泡延伸在不同的平面，它们将不会包裹吞并地球。这项研究报告将发表在近期出版的《天体物理学》杂志上。

气泡结构形成之谜

目前研究人员仍不能确定这种巨大的气泡结构是如何形成的，但该结构具有轮廓鲜明、清晰可辨的边缘，这暗示着它们是由较大、快速，且相当近期释放的能量形成。

芬克贝涅称，气泡结构的两个主流形成因素是数百万年前大量的恒星形成，以及银河系中心黑洞释放活跃能量，这个黑洞的质量相当于太阳的400万倍。

天文学家已观测研究银河系中心超大质量黑洞释放的强大喷射流，落入黑洞的宇宙物质对这些喷射流提供“燃料”。美国普林斯顿大学天体物理系主任大卫-斯彭格尔(David Spergel)说：“这两个庞然大物一旦接收‘燃料’，将产生非常强大的爆炸。”

研究人员称，虽然目前我们没有直接的证据显示银河系的黑洞释放喷射流，但这项最新研究可能是银河系中心黑洞能量活跃喷射的首次证据。

目前，科学家正在进行更多的研究分析，试图更好地理解何种因素驱动新发现的银河系气泡结构，以及从中能够揭示多少关于银河系和宇宙的特性和秘密。

斯彭格尔说：“无论巨大气泡之下的是什么样的能量，都将关联至更深的天体物理学疑问。”

【033、黑洞始终处于“饥饿状态” 仅吞噬微量恒星风】

2010年01月11日腾讯科技编译

[导读]目前，天文学家最新一项观测研究显示，银河系中心的“人马宫A”黑洞一直处于“饥饿状态”，实际上该黑洞仅吞噬0.01%的恒星风，而之前天文学家预测能吞噬1%的恒星风。

黑洞始终处于“饥饿状态” 仅吞噬微量恒星风

最新研究显示，银河系中心的“人马宫A”黑洞一直处于“饥饿状态”

据美国太空网报道，日前，天文学家宣称，银河系中心超大质量黑洞的最新X射线成像将有助于确定为什么黑洞处于饥饿状态。

像宇宙中其他多数螺旋和椭圆星系，银河系中心存在着一个被称为“人马宫A”的庞大黑洞。它距离地球26000光年，其质量是太阳的400万倍。美国宇航局“钱德拉”X射线探测器的最新照片显示，银河系中心X射线喷射区域直径可达到120光年。这项最新发现发布在1月6日召开的第215届美国天文学协会会议上。

美国哈佛－史密森天体物理学中心的“钱德拉”研究小组成员罗曼－谢尔巴考维（Roman Shcherbakov）称，不仅这些图像显示了该区域存在X射线的大量性，还有助于揭示为什么黑洞看上去并未吞食大量宇宙物质之谜。

虽然黑洞自身是无形的，但是环绕其周围的宇宙物质出现重力影响标示着黑洞的存在，此外，宇宙物质在被黑洞吞噬之前被加速和加热，能产生出明亮的辐射光线。在“钱德拉”X射线探测器拍摄的这张图片中，位于黑洞边缘的恒星星团清晰可见，恒星释放的承载粒子的“恒星风”在黑洞中燃烧殆尽。天文学家之前计算黑洞可能仅吞噬来自恒星的1%恒星风，虽然1%的恒星风数量很少，却使黑洞释放的辐射光线明亮100倍。在最新的“钱德拉”X射线探测器照片中修补了之前黑洞吞噬宇宙风的模型，实际上黑洞仅在其边缘吞噬0.01%的恒星风。

谢尔巴考维说：“因此黑洞实际上一直处于饥饿状态。之前天文学家所预计的X射线数量竟存在着如此大的差异，他们猜测黑洞存在着一些特殊的‘进食’方式。”

天文学家都知道宇宙气体旋转进入黑洞，并被加热，热度在传导过程中逐渐损耗。谢尔巴考维和同事们认为宇宙气体中的热量向外传导，从而减少了黑洞吞噬放射物质的强度，同时形成一定的压力帮助恒星风避开黑洞重力的束缚。这就使得银河系中心黑洞俘获宇宙物质的数量仅为之前天文学家所预测的百分之一。

【034、黑洞首图亮相人类之前的猜想是对是错】

2019年4月11日 BBC

科学家首次拍摄到一个位于十分遥远的星系的黑洞，并在全球同步公开照片。

这个黑洞位于距离地球5500万光年的一个星系，最大直径约400亿公里，相当于地球的300万倍，被科学家形容为“怪兽”。

为了拍摄这个黑洞，科学家利用世界各地八座望远镜组成的网络收集数据，这个网络称为“事件视界望远镜”。

比太阳大65亿倍的黑洞

最初提出为黑洞拍照的荷兰奈梅亨拉德堡德大学（Radboud University）教授法尔克（Heino Falcke）介绍，这张照片的主角位于一个称为M87的星系。他接受BBC访问时说，这个黑洞的体积比我们身处的太阳系还要大。“它的体积是太阳的65亿倍，也是目前所知的黑洞中最重的一个。”

法尔克形容这个黑洞四周的光是个“火圈”，包围着一个黑色的点。这些光线由一些正被吸入黑洞的高温气体发出，光线比宇宙其他星体发出的光线都要亮，因此我们在地球也能看见。

照片中黑色圆圈的外围就是光线被吸进黑洞的地方。黑洞的引力十分大，连光线都逃不过被吸进去的命运。

物理学家以至电影导演多年来都在猜想并研究黑洞的真正样子。参加拍摄黑洞研究的英国伦敦大学学者尤西（Ziri Younsi）认为，拍照的结果证明，黑洞的样子和这些物理学家和电影导演的想象差不多。

拍摄到黑洞的照片只是第一步。科学家还要研究黑洞四周的光环是如何产生出来，也要研究物质被吸进黑洞后的命运是怎样。

下一个任务

奈梅亨拉德堡德大学教授法尔克说，他在1993年修读博士学位时，就萌生为黑洞拍摄照片的想法。

外界最初认为拍摄黑洞是不可能的事情，但他发现一种只会在黑洞附近出现的无线电波，这些电波强劲得在地球也能接收。他之后又回想起一份1973年的论文，文章推论说由于黑洞引力十分巨大，它们看起来要比实际体积大2.5倍。

法尔克之后花了20年时间游说欧洲研究议会，最终获得多个研究拨款约4亿英镑。

法尔克接受BBC科学事务记者帕拉伯·戈什（Pallab Ghosh）访问时说，成功拍到黑洞的照片后，他有种“任务完成”的感觉。

研究团队的下一个目标，是为一个位于我们银河系中间的超级黑洞拍照。这个黑洞与地球近得多，但它四周的“火圈”比位于M87黑洞的“火圈”暗淡得多，因此拍照并不是容易的事。

【035、黑洞也可以有行星，平均每个黑洞有100万行星】

2021-04-25 Knowledge

黑洞是宇宙中最恐怖的天体，人们普遍在提到黑洞时就会联想到死亡和虚无。

诚然，黑洞的强大引力连光都可以吸引，但未必代表着黑洞注定就是孤独的。

科学家认为，黑洞也是可以有行星的。

虽然这个言论听起来很新奇，但是想一想很多星系的中心都有一个超大质量黑洞吸引着这个星系的恒星围绕自己旋转，那么这个言论就不是那么荒谬了。

科学家们猜测，如果黑洞真的可以有行星，那么它的行星数量大约在百万级别。

负责此项研究的科学家雷蒙德表示，如果这种情况真的存在，那么黑洞周围的行星排列和太阳系其实会有很大的区别。

他认为，这样的行星在围绕黑洞公转的轨道上，其实并不孤独。为了能够平衡黑洞的引力、保证正常运转，每个轨道上至少要有7颗行星。

注意，这还只是至少。

他甚至还认为，有可能某个黑洞的上百万颗行星只有400个公转轨道。也就是说，平均每个轨道上有2500颗行星（当然，这种轨道的半径极大，这些行星也不用担心会撞到一起）！

而在这些行星中，或许就有一些行星表面有水、有空气。如此说来，这些星球也可能允许我们已知的生命形态存在。

有人会说：不至于吧？就算有水有空气，那里没有阳光啊！

在前两年，有些科学家曾经指出，虽然黑洞能把所有的物质都吸收进去，但或许可以处于一个“冷太阳”的状态，向外界提供热量。最高的时候，甚至可以把周围的行星加热到900摄氏度。

但是这个说法目前还只是猜测，并且有很多科学家并不认同。

或许，我们应该重新认识一下黑洞了。也许，黑洞周围真的有生命也说不定。

【036、黑洞引力能把恒星撕碎，拉成一长条面，能绕黑洞一整圈！】

2021-03-31 天文

当黑洞吞噬恒星时，会产生可见光或X射线，但天文学家几乎从未探测到这两种类型的辐射。天文学家彼得·容克(SRON/Radboud大学)和同事们现在已经用X射线望远镜发现了一些被捕获的恒星，这些恒星是在光学上被发现的几年后被发现的。毕竟，黑洞似乎都是以同样的方式进餐，而“情绪”则是按照固定的模式变化，其研究成果现已发表在《天体物理学》期刊上。

在整个宇宙中，巨大的黑洞潜伏在星系中心，就像埋伏的掠食者一样，它们耐心地等待毫无戒心的星星经过，并利用其压倒性的引力将它们撕碎，变成一条意大利面，最后将它们吞噬。天文学家有时在可见光下看到这一奇观，有时在X射线上看到，但几乎从来不会同时在两种光中看到这一奇观，黑洞吃恒星有两种不同的方式吗？天文学家彼得·容克和国际同事现在已经用钱德拉X射线望远镜观测到了一些源。

从可见光到X射线

这些源最初是几年前在光学波段中发现的，看起来恒星在被吞噬的过程中，首先发出可见光，然后发出X射线。因此，黑洞确实有一个共同的进食行为，而晚餐期间的“情绪”根据固定的模式变化，从温和的白色光到苍白的明亮X射线。天文学家发现可能很快就会得到验证，方法是将发射的X射线卫星eROSITA（雅典娜的前身）与扫描天空收集可见光的望远镜(如BlackGEM望远镜)数据结合起来。

该望远镜目前正在拉德布大学(Radboud University)的监督下安装在智利。一颗被捕获恒星被拉成如此长的一条意大利面线，以至于它在绕黑洞完整轨道一周后与自己相遇，就像一条蛇咬它的尾巴一样。这种碰撞会导致弦失去高度，并向黑洞坠落。理论有两种可能的解释，即可见光和X射线都是严格按照这个顺序释放的。第一种选择是可见光发射是由碰撞过程中释放的能量引起。

我们看到X射线是因为在向黑洞下落的过程中损失了势能，撕碎的恒星气体流开始像黑体一样发光，其特征曲线是在软X射线中达到峰值的光谱。第二种是碰撞本身会发射X射线，但会出现一团浓密的云团，吸收X射线并将其重新发射为可见光。当足够多的恒星物质消失时，星云变得足够薄，可以让X射线通过，包括随之而来的势能损失导致俯冲产生的X射线辐射。

其理论的一个结果是，在黑洞自转和恒星被吃掉时发出的X射线数量之间存在联系。黑洞是否旋转目前尚不清楚，如果eROSITA每年观测到数百条意大利面条，这可能证实黑洞在旋转，如果每年只探测到几个，那就表明黑洞是静止的。黑洞自旋的分布以及从撕碎恒星到峰值X射线亮度之间的时间延迟，研究进一步预测，在光学和X射线中，退行性和进行性吸积盘的数量不对称，观测偏差的细节，可能有助于观察到光学和X射线之间的差异。

博科园｜研究/来自：SRON荷兰空间研究所；

参考期刊《天体物理学》

【037、黑洞有可能被摧毀吗？】

法比奥·帕古驰

黑洞是宇宙最具破坏性的物体之一，任何太靠近黑洞中心奇点的物体，无论是小行星，行星还是恒星，都有被其巨大引力场摧毁的危险。如果接近黑洞的物体恰好穿过黑洞的事件视界，它将会消失，永不再出现，此过程中，黑洞质量增加，而且黑洞半径扩大。没有任何扔向黑洞的东西会对它造成一点损害即使另一个黑洞也无法摧毁它——这两个黑洞只会合成一个更大的黑洞，此过程中释放出一点引力波能量。理论证明，在遥远的将来，黑洞会组成整个宇宙。然而有一种方法可能可以摧毁或“蒸发”这些黑洞。如果那个理论可靠，我们只需要等待。

1974年，斯蒂芬·霍金提出一个可能导致黑洞逐渐失去质量的过程：霍金辐射学说。这个理论基于一种真空量子波动的已知现象。根据量子力学，时空中的一个点在多个可能的能量状态之间波动。这些波动是由虚粒子对的不断产生和湮灭所造成的，虚粒子对由粒子和带相反电荷的反粒子组成。

通常两者出现后不久就会相互碰撞和湮灭，总能量不变。但它们出现在黑洞事件视界时会发生什么呢？如果它们恰好位于视界边缘，一个粒子可能会逃脱黑洞引力，而另一个坠入黑洞。黑洞视界边缘内的粒子会中和另一个带相反电荷的粒子，从而减少黑洞的质量。对外部观察者来说，就好像黑洞发射了逃逸粒子。因此，除非黑洞继续吸收外部物质和能量，它将以极其缓慢的速度蒸发粒子。有多慢呢？黑洞热力学给出了答案。

日常物体或天体向周围环境释放能量，我们把其感受为热量，并且根据释放的能量来测量它们的温度。黑洞热力学认为，我们也可以类似地定义黑洞的“温度”。该理论认为，黑洞质量越大，其温度越低。宇宙最大的黑洞，其温度为10的负17次方开尔文，非常接近绝对零度。而一个与灶神星同质量的黑洞的温度，则接近200摄氏度，它以霍金辐射的形式，向寒冷的外部环境释放大量能量。黑洞越小，其燃烧得更加炽热——而且很快就会烧光。

到底多快呢？好吧，别期望太高。首先，多数黑洞聚集或吸收物质和能量的速度远远大于发出霍金辐射的速度，即使一个与太阳质量相同的黑洞停止了聚集物质能量，它也需要10的67次方年——也就是比现在宇宙的年龄更长的时间——才能完全消失。当黑洞达到230公吨左右时，它只会再生存一秒。在最后一秒，它的事件视界变得越来越小，直到最终将所有能量释放回宇宙。虽然人们从未直接观察到霍金辐射，但一些科学家认为，天空中探测到的某些伽马射线闪光就是是远古时期形成的、小的原始黑洞最后一刻的痕迹。

最终，在未知的遥远未来，宇宙会成为冰冷、黑暗之所。但如果霍金辐射的理论是正确的，在那发生之前，可怕而神秘莫测的黑洞，将在最后的荣耀之火中湮灭。

【038、黑洞与暗物质的相互作用研究取得系列进展】

本报讯

人们普遍认为超大质量黑洞位于包括银河系在内的大多数星系的中心，直接探测黑洞仍然是天文学中最重要的问题之一。徐兆意表示，在确定黑洞性质（如黑洞的质量和自旋）的不同方法中，利用VLBI（甚长基线干涉仪）观测黑洞的阴影可能是最令人兴奋和有趣的方法。

侯贤说：“黑洞的阴影是一个明亮天体经过黑洞后投射的光学图像，观测者看到的是一个二维的黑暗区。黑洞的阴影是广义相对论的自然结果，它不仅可以提供黑洞基本性质的信息，还可以检验广义相对论，探测黑洞周围的暗物质性质。”

【039、黑洞蒸发理论】

黑洞是宇宙中最奇特和神秘的天体，它是超强引力源，时空的扭曲者，其超强引力使得连宇宙中跑的最快的光都会被它拉住，而逃不出它的“魔掌”。它是在时间和空间中形成的“洞”，在不断地吸积着周围的物质，质量增加，还是空中的“强盗”，光子的“牢笼”。它贪得无厌，永不停息地吞噬着周围的一切，这就是黑洞的经典图像。

历史辉煌

在1974年，史蒂芬·霍金发现了黑洞的蒸发现象，从而改变了黑洞的经典图像：黑洞已不是完全“黑”的，也不单纯是个“洞”，它既可以通过吸积物质使质量增加，也可以向外发射物质，从而使质量减小。

在量子力学里，真空并不意味着没有任何场，粒子或能量。量子真空是一种能量为最低的状态，它只是被称作“真空”而已，实际上能量为零的状态是不存在的。

真空不空

时间和能量的测不准原理解释了为什么真空不空。由于质量与能量的等价性，真空中的能量涨落就可以导致基本粒子的生成。1928年，保罗.狄拉克发现，每一种基本粒子都有一种对应的反粒子，二者质量相同，其他性质呈“镜像”对称。两者相遇，就会相互湮灭，将质量转化为能量。因此，一个粒子和它的反粒子就表示相当于它的静质量的两倍的能量，反过来，一定的能量也可以被看作是一对正反粒子。于是，由于能量涨落而躁动的量子真空就成了所谓“狄拉克海”，其中遍布着自发出现而又很快湮没的正反粒子对。在不存在任何力的量子真空里，粒子对不断地产生和消灭，所以平均而言，就没有任何粒子或反粒子真正产生或是消灭。由于这些粒子瞬时存在而不能被直接观测到，所以被称为虚粒子（可以是虚光子，虚电子，虚质子等）。其实虚粒子和实粒子并没有本质的区别，只是虚粒子没有足够的能量，存在的时间极短。如果它能从外界获得能量，就可以存在足够长的时间而升格为实粒子。设想，有一电场，作用在真空上。当一对正负电子在正空中出现时，它们就会被电场沿相反的方向分离。如果电场足够强，它们就会分离的足够远，以致于不能再相互碰撞和湮灭。这时的虚粒子就成为实粒子，这时的真空就被称为是极化的。

但是，真空是不容易被极化的，需要有很高的能量密度才能使虚粒子对分离和实粒子出现。而产生极化所需的能量的形式并不重要，它们可以是电能，磁能，热能，引力能等。

遇到的问题

不确定性原理告诉我们，真空中到处存在着虚粒子的海洋。这种紧张的量子行为的虚粒子海洋同样也出现在黑洞事件视界周围的空间区域。

不确定性定理说明，如果一个粒子的位置被确定，它的速度就会变得不确定。如果一个粒子落入黑洞，它的位置已经被确定（在奇点），所以它的速度就不确定，甚至超过光速而逃出视界。

由于所有形式的能量都等价于质量，所以我们当然会想到引力能也会被自发地转变成粒子。霍金发现，对于微黑洞来说，量子真空会被它周围的强引力场所极化（这一点是至关重要的），在狄拉克海里，虚粒子对在不断产生和消失，一个粒子和它的反粒子会分离一段很短的时间，于是就有四种可能性：两个伙伴重新相遇，并相互湮灭（过程I）；反粒子被黑洞捕获，而正粒子在外部世界显形（过程II）；正粒子被捕获而反粒子逃出（过程III）；双双落入黑洞（过程IV）。霍金计算了这些过程发生的几率，结果发现过程II最为常见。由于有倾向地捕获反粒子，黑洞自发地损失了能量，也就是损失了质量。由于微黑洞的尺度与基本粒子相当，能量的“跃迁”可能足以使粒子运动一段大于视界半径的距离，其结果就是粒子逃出，在外部观测者看来，黑洞在蒸发，即发出粒子流。其实粒子并没有真的跳过视界“墙”，而是从一个由不确定性原理短暂地打通的“遂道”穿过。这样的过程反反复复在黑洞视界的周围发生，从而，形成一股不断的辐射流，黑洞发光了。

霍金计算

霍金的计算表明，黑洞的蒸发辐射具有黑体的所有特征。它赋予了黑洞一个真实的，在整个视界上同一的，直接由视界处的引力场强度来决定的温度。

对史瓦西黑洞来说，温度与质量成反比。质量与太阳一样的黑洞，其温度是微不足道的，开氏（即绝对零度以上）十的负七次方度。不是零，但小的可怜；黑洞并不是完全的黑，但一点也不亮。很遗憾，这样低温的辐射实在太微弱了，是不可能在实验室中探测出来的。

霍金的计算还有一个重要发现：黑洞的质量越小，温度越高，辐射也越强。显然，蒸发只有对微型黑洞来说才有特别的影响，而微型黑洞的温度是很高的。在黑洞中，质量越大的黑洞，温度越低，蒸发的越慢；质量越小的黑洞，温度越高，蒸发的也越快。

对于微黑洞来说，温度非常之高，可达千万开甚至上亿开，随着蒸发的加剧，质量丢失的很快，温度会迅猛地上升，随着温度上升的加快，质量丢失的就更厉害，这中过程会以疯狂的形式演变，最终黑洞被摧毁，以猛烈的爆发而告终，所有粒子都得到了大赦（对巨型黑洞来说发射粒子的过程十分缓慢，相当于蒸发；而对微黑洞来说，发射粒子的过程十分迅猛，相当于爆发）。

对于星系中心的巨型黑洞来说，其蒸发的过程将远远超出宇宙的年龄，假定宇宙有足够长的寿命，并且不回缩，那么这类黑洞最终也还是要蒸发掉。不过这类黑洞目前还是吸积远大于蒸发，以吸积为主。只有当宇宙后来的温度降到比这类黑洞的温度还低时，它们才开始以蒸发为主。然而这个过程太慢长了，等到它们开始蒸发，也将远远超出宇宙的年龄，而它们要蒸发完毕，大约要十的九十九次方年！

未知结果

黑洞蒸发的最后结果目前还不得而知。也许有人会认为视界消失后会留下一个裸露的中心奇点，可这是经典的看法，可能是错误的。如果它由辐射自己的质量而完全蒸发掉，应该说时空就会成为平直。（详见霍金辐射）

黑洞“不存在”

霍金指出，由于找不到黑洞的边界，因此黑洞是“不存在”的，黑洞的边界又称“视界”。经典黑洞理论认为，黑洞外的物质和辐射可以通过视界进入黑洞内部，而黑洞内的任何物质和辐射均不能穿出视界。

霍金的最新“灰洞”理论认为，物质和能量在被黑洞困住一段时间以后，又会被重新释放到宇宙中。他在论文中承认，自己最初有关视界的认识是有缺陷的，光线其实是可以穿越视界的。当光线逃离黑洞核心时，它的运动就像人在跑步机上奔跑一样，慢慢地通过向外辐射而收缩。

霍金称，黑洞从来都不会完全关闭自身，它们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量，随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。

他1月24日在《自然》报道发表的一篇论文中承认，黑洞其实是“不存在”的，不过“灰洞”的确存在。霍金提出“灰洞”理论是为了解决“防火墙悖论”问题而在“反德西特时空”中的模拟设定，并非黑洞真不存在，只是为了化解广义相对论与量子物理在黑洞中的矛盾。

【040、黑洞资讯悖论】

黑洞资讯悖论（英语：Black hole information paradox）起源于量子力学与广义相对论两者的结合。其指出物理资讯可能永久消失于黑洞中，导致许多不同的物理状态最终会变为相同的状态，跟无毛定理的内涵相符合。这现象违反了一个科学上的宗旨，亦即原则上，由于量子决定性，一物理系统于某个时刻的完整资讯会决定其它任意时刻的状态。量子力学中的一项基础假设指出：一系统的完整资讯涵盖于其波函数，直到发生波函数塌缩。波函数的时间演化由幺正算符来决定，而幺正性暗示了量子世界资讯的保存。

主要原理

未解决的物理学问题：当资讯坠入黑洞中之后，会发生什么事呢？

关于黑洞资讯悖论，有两项原理主导：

量子决定性：给定目前的波函数，透过演化算符可确定地预测出未来的波函数。

可逆性：演化算符具有逆算符，因此过去的波函数与未来的波函数具有一样的决定性。

这两项原理的结合则表示资讯总是得以保存。

1970年代中期以来，史蒂芬·霍金与雅各布·贝肯斯坦将基于广义相对论与量子场论的黑洞热力学推展，发现其结果不只与资讯守恒律相矛盾，而且无法解释资讯丧失的情形。霍金的计算指出，霍金辐射将导致黑洞蒸发而消失，辐射出来的粒子也不会携带任何黑洞内部的线索，导致其中的资讯将永远消失。

今日许多物理学家相信全像原理（特别是AdS/CFT对偶）可指出先前霍金结果的错误，而资讯实际上是保存的。2004年，霍金对先前索恩-霍金-普雷斯基尔赌局认输，承认黑洞蒸发确实会保存资讯。

霍金辐射

生成之后又完全蒸发殆尽之黑洞的彭罗斯图。掉进该黑洞的资讯会击中奇异点。纵轴代表时间（由下而上）；横轴则代表空间（从左至右半径从零开始扩增）

1975年，史蒂芬·霍金与雅各布·贝肯斯坦提出黑洞会缓慢地向外辐射能量，导致了一个问题。由无毛定理，我们可推论霍金辐射完全与进入黑洞的物质不相关。然而，如果进入黑洞的物质是个纯量子态，其状态最终会被变换成为霍金辐射的混合态，进而毁灭原量子态的资讯。这违反了刘维尔定理对资讯守恒的预测并导致了物理上的悖论。

更精确地说，若有个处于量子缠结的纯量子态，且该缠结系统之一部分被抛入黑洞中，留下另一部分在黑洞外。现思考对应于这纯态的密度算符，取这密度算符对于进入黑洞部分的偏迹数，则结果会显示出，在黑洞外的部分处于混合态。但由于任何在黑洞内部的物体都会在有限时间内击中引力奇点，取偏迹数的部分可能会从物理系统里完全消失地杳然无踪。

霍金相信黑洞热力学与无毛定理的结合会导致量子资讯被毁灭的结论。然而，约翰·普雷斯基尔等物理学家则认为资讯不会在黑洞中消失，并为此和霍金与基普·索恩在1997年打了一场赌。这导致李奥纳特·苏士侃与杰拉德·特·胡夫特对霍金的理论“宣战”，苏士侃并在2008年著书《黑洞战争》专述此事。该书并特别说明这场“战争”纯粹是科学上的争论，而参与双方仍旧是朋友。该书以胡夫特提出、苏士侃赋予弦论上诠释的全像原理作为整场“战争”的总结。

目前，物理学界有数种解决此悖论的可能方案。自从1997年胡安·马尔达西那提出AdS/CFT对偶之后，物理学家们大多认为资讯是守恒的，并且霍金辐射不完全是热力学的，而是有著量子修正。此外还有其他的可能性，譬如说资讯在霍金辐射的末尾被保存在普朗克尺度残馀，又或者量子力学定律的修正以允许非幺正性的时间演变。

2004年7月，史蒂芬·霍金发表了一篇论文，其中提到事件视界的量子微扰可能可以允许资讯从黑洞中逃出，并可能可以解决此悖论。他的论述假设AdS 黑洞与热量子共形场论之AdS/CFT对偶的幺正性。在宣布他的结论之后，霍金对先前的索恩-霍金-普雷斯基尔赌局认输，并赠送普雷斯基尔一本棒球百科全书，因为“从中可以任意获取资讯”。然而，索恩并没被霍金的证明所说服，因此并未对该赌局认输。2015年3月17日，德扬·史杜高域（Dejan Stojkovic）与安舒尔·赛尼（Anshul Saini）发表在《物理评论快报》的论文表示，若考虑原先被忽略的粒子间交互作用，霍金辐射即能符合幺正性，资讯因此不会丧失。2015年8月25日，霍金在斯德哥尔摩皇家工学院发表演说，并认为资讯可能被储存在事件视界上，即便原先携带该资讯的粒子已经坠入黑洞中，储存在事件视界上的资讯则会随霍金辐射重新释放至外界。

根据罗杰·潘洛斯的说法，量子系统中幺正性的丧失并不是一个问题，因为量子测量本身即不具备幺正性。潘洛斯宣称量子系统在重力的影响之下将不再具备幺正性，而黑洞中正是如此。潘洛斯提出的共形循环宇宙学严重依赖于资讯在黑洞中丧失的条件。这个新形态的宇宙学模型可使用对宇宙微波背景辐射（CMB）数据的详细分析做测试。如果该理论是正确的，则宇宙微波背景辐射将展现温度略高或略低的圆形模式。在2010年11月，潘洛斯和瓦赫·古尔扎江宣布他们在威尔金森微波各向异性探测器与毫米波段气球观天计画测得的数据发现了此种圆形模式，但他们的结果仍正在处于争论当中。

主要的几种可能解答

资讯永久丧失

优点：看似基于半古典重力较无争议的计算所得出的结论。

缺点：违反幺正性，以及能量守恒或因果律。

资讯随黑洞蒸发逐渐释出

优点：直观上吸引人的，因为它性质上类似于古典燃烧过程中的资讯恢复。

缺点：与古典和半古典重力理论（不允许资讯从黑洞内部漏出）有著较大的差异，即便在巨观黑洞的情形之下。

资讯在黑洞蒸发殆尽时瞬间释出

优点：只在量子引力作用主宰时，才会与古典和半古典重力理论有较明显的差异。

缺点：在资讯释出前的瞬间，一个极小的黑洞需要有能力储存任意量的资讯，而这违反了贝肯斯坦上限。

资讯被储存在普朗克尺度残馀

优点：不需要任何的资讯释出机制。

缺点：为了容纳从任何已蒸发黑洞而来的资讯，此类残馀需要无限数目的内部态。有人认为，这将有可能产生无限对的该种残馀的量，因为它们从低能有效理论的角度来看很小，而且具备不可区别性。

资讯被储存在从本宇宙分离的子宇宙

优点：此为爱因斯坦-嘉当理论所预测的情形，该理论将广义相对论扩展至具有内生角动量的物质，而且没有违反已知的任何物理定律。

缺点：爱因斯坦-嘉当理论难以被测试，因为该理论的预测与广义相对论所预测的相异处仅存在于极高密度时。

资讯被储存在未来与过去之间的关联

优点：半古典重力即已足够。也就是说，这不需要用到尚未被研究透彻的量子引力细节部分。

缺点：违背人们的直观认知，亦即自然是随著时间演变的实体。

参见

黑洞热力学

量子资讯

AdS/CFT对偶

宇宙审查假说

全像原理

麦克斯韦妖

天文学主题

物理主题

无毛定理

贝肯斯坦上限

索恩-霍金-普雷斯基尔赌局

火墙(物理学)

模糊球(弦理论)

黑洞互补性

【041、科学家发现双黑洞吞噬恒星罕见现象】

2020年12月03日科技日报

记者从安徽师范大学获悉，该校物理与电子信息学院舒新文教授研究小组在一个河外星系中发现了一对互相绕转的超大质量双黑洞吞噬恒星的罕见天文现象。这是天体物理学家迄今为止在常规星系中发现的第二例超大质量双黑洞绕转系统。该研究成果于11月18日发表于国际顶级期刊《自然·通讯》上。

据了解，黑洞具有独特的时空结构，进入其视界面的所有物质包括光线都无法逃脱。当一个恒星太靠近黑洞时，会被其强大潮汐引力撕裂瓦解，进而被吞噬，同时释放出短暂的剧烈电磁波辐射。每个星系每10万年才会发生1次黑洞潮汐撕裂恒星事件，概率为十万分之一。尽管经过了30多年的研究，天文学家也仅在少数几个活动星系中发现超大质量双黑洞。舒新文教授的研究团队通过分析卫星观测资料，在一个距离地球约26亿光年之遥的星系中成功发现了双黑洞吞噬恒星的观测证据。

这也是天体物理学家迄今为止在常规星系中发现的第二例超大质量双黑洞绕转系统，不仅佐证了首次发现该天文现象的真实性和科学性，更为该项研究提供了明确的研究价值和方向。舒新文表示，如何寻找和探测超大质量双黑洞系统是当今物理学和天文学最重要的前沿问题之一。超大质量双黑洞系统的探测和研究对揭露宇宙中最早期巨型黑洞的成长机制、宇宙引力波现象的产生和变化规律，乃至对宇宙及其基本物理规律的探索都有着非常重要的意义。

【042、科学家发现距地球600万光年的恒星级黑洞】

2010年01月29日腾讯科技Everettism/编译

欧洲南方天文台消息，天文学家在距离地球600万光年处首次发现恒星级黑洞，这个数据刷新了以往所发现恒星级黑洞的距离。

天文学家使用欧洲南方天文台甚大望远镜观测结果显示，关于星系中的恒星级黑洞的研究项目再次有了新发现。随着2007年公布的在M33星系内发现了一个具有15倍太阳质量的黑洞之后，这次发现的恒星级黑洞则将距离扩展到了600万光年。恒星级黑洞背后所蕴藏的奥秘越来越令人琢磨不透。

最新公布的数据表明，这个远离地球600万光年的黑洞位于一个螺旋状星系内，即NGC300。谢菲尔德大学天文学教授称，它是我们迄今观测到的最远的恒星级黑洞，也是人类第一次在银河系周边范围之外发现这个级别的黑洞。早在2007年，美国国家航空航天局使用X射线探测器对NGC300内部最强烈的X射线源进行了观测，这个研究项目要早于欧洲空间局XMM-牛顿X射线空间天文台的观测。

而来自欧空局的相关人员解释道：“我们将定期对强烈的X射线源进行记录，有迹象表明黑洞会隐藏在这个区域。”我们知道，由于物质在被黑洞吸积过程中，引力势能转化为物质的动能，在转化为热能，在离黑洞最近的吸积盘内区，X射线的辐射是最强的，所以通过对X射线辐射量的观测，可以得到一些黑洞的行为特性。

在对这个黑洞的观测中，天文学家发现它的伴星质量达到了20倍太阳质量，而且他们相互之间剧烈的旋转，就像绚丽的华尔兹，一个周期只有32个小时。同时，这颗伴星上的大量物质也被剥离，吸入黑洞，由此形成吸积盘。

以往在银河系内发现的恒星级黑洞质量达到10倍太阳质量，这个级别的黑洞的银河系外可能也只算个轻量级的。像一个黑洞和一个伴星组成的系统在以往的观测中被发现过，所以天文学家对这类的天体系统还是比较了解，基于这个天体系统，天文学家可以发现黑洞的物质与星系化学之间的关系，他们相信高浓度的重元素将影响一个大质量恒星的演化。

【043、科学家发现双黑洞同时进行两次吞噬现象】

2010年01月06日腾讯科技编译

[导读]近日，天文学家表示，通过对33个双黑洞系统的研究后发现，这些双黑洞的运动过程非常激烈，甚至两个黑洞会出现同时吞噬的现象。

此前，天文学家表示，迄今已经发现了33个双黑洞系统，并对这些双黑洞进行了深入的研究。美国加州大学伯克利分校天体物理学家朱莉娅·科默福德（Julia Comerford）表示：“双黑洞同时进行两次吞噬的现象表明，双黑洞系统比我们以前所了解的更复杂，其活动也更活跃剧烈。”

据悉，1月4日在华盛顿召开的215届美国天文学会上，科默福德提交了这些最新探测结果。

双黑洞系统被认为是两个星系碰撞合并过程产生的。由于双黑洞系统是星系合并的结果，所以这个发现能够帮助科学家估计星系碰撞的频率和星系碰撞后的活动规律。

科学家认为大多数星系，包括我们所处的银河系，都会面临星系碰撞的现象发生。大多数星系，包括我们所处的银河系，其中心都有超大质量黑洞存在。当星系发生碰撞后，每个星系中心的这些超大质量黑洞将呈现出螺旋状，朝向新形成的星系中心，而在两个星系的碰撞过程中就会出现双黑洞系统。

科学家表示，银河系也无法避免“碰撞”的命运，银河系在将来可能和邻近的仙女星座发生碰撞，它们内部的两个黑洞在碰撞后将可能形成双黑洞系统。

如果银河系和仙女星座发生碰撞，那么会发生什么呢？现在，天文学家通过记录黑洞的相对运动来揭示双黑洞系统运动的规律，希望解开星系碰撞后双黑洞系统的运动过程。

科学家研究发现，双黑洞系统在碰撞后可以同时进行吞噬的现象，而同时吞噬的后果就是聚集巨大的能量，使得双黑洞系统漂移并逐步靠近，然后变成互相吸引的二元黑洞，最后两个黑洞发生“碰撞”，最终形成一个单一的巨大的黑洞。

【044、欧洲南方天文台拍摄美丽“室女座之眼”星系】

2011年08月27日中国天文科普网

[导读]组成“室女座之眼”的两个星系距我们5000万光年之遥。它们的昵称来自这对星系的核心——当我们通过中等望远镜看去，它们看上去就像黑暗中的一对眼睛。

欧洲南方天文台拍摄美丽“室女座之眼”星系

“室女座之眼”位于室女座，离我们约5000万光年，两个星系之间距离约10万光年。它们的昵称来自这对星系的核心——当我们通过中等望远镜看去，它们看上去就像黑暗中的一对眼睛。

虽然这对星系的核心相似，它们的外围明显不同。位于右下的NGC 4435，看来比较致密，缺少气体和尘埃；而位于左上的大星系NGC 4438，在核心前横着一条尘埃带，左边还有年轻恒星群，气体更是延伸到图像的左右边缘。

NGC 4438与另一个星系的强烈相互作用使其外围剥离：冲突扭曲了星系的外形。当30~40亿年后银河系与仙女座大星系相遇时，会发生类似的过程。

NGC 4435就是罪魁祸首。有的天文学家相信，这些破坏是大约一亿年前，它与NGC 4438以1.6万光年近距离擦过造成的。但是随着大星系的外形被破坏，较小的NGC 4435会受到更大的影响。潮汐力既然能把NGC 4438的内容物扯出来，也能剥离NGC 4435的大部分气体、尘埃，减少星系的总质量。

另一种可能是更远的巨椭圆星系M 86（未在图中显示）的强大引力，造成了NGC 4438的形状改变。最新的观测显示，这两个大星系之间存在电离氢的纤维桥，意味着它们在过去发生过冲突。

巨椭圆星系M 86和NGC 4438、4435都属于室女座星系团，这是一个富含星系的集团。在这种环境中，星系相撞是非常常见的，因此NGC 4438很可能与这两者都遭遇过。

本图是“ESO宇宙珍宝节目”（ESO Cosmic Gems programme）的首个图像，这是ESO为公共教育和宣传而设立的新项目，主要在天空状况不适合进行科学观测的时候，就让仪器拍摄那些有趣的、有魅力的天体。这些数据同样可以用于专业天文学家的科学研究。

【045、科学家首次证明粒子碰撞可制造黑洞吞噬地球】

2010年01月27日腾讯科技亮亮/编译

据国外媒体报道，美国科学家利用计算机模型模拟首次表明粒子碰撞可能产生出小型黑洞，而在过去几年，人类大规模的粒子碰撞实验引起了一些批评人士的担心，粒子碰撞实验可能制造出的小型黑洞，可以吞噬整个地球。

科学家首次证明粒子碰撞可制造黑洞吞噬地球

碰撞的粒子总能量达到三分子一普朗克能量时才可能形成黑洞——美国普林斯顿大学的科学家弗兰斯·比勒陀利乌斯（Frans Pretorius）用计算机模型模拟粒子碰撞，模拟结果首次表明，如果粒子碰撞能量达到普朗克能量级的话，就可能制造出小型黑洞，证明在广义相对论下产生小型黑洞是完全可能的。

在过去几年中，大规模的粒子加速器如大型强子对撞机（LHC)已经引起了众多争议。批评人士时常担心这些巨型机器产生的巨大的能量将可能制造出小型黑洞。许多人担心，人造黑洞可能失去控制并吞噬整个地球，他们甚至向联合国请愿停止大型强子对撞机研究项目。

著名物理学家爱因斯坦曾经屡次说过，在广义相对论下产生小型黑洞是可能的。比勒陀利乌斯的计算机模型首次从实验上证明爱因斯坦的这种说法是正确的。在著名科学期刊《物理评论快报》上的一篇研究报告中，专家称研究中所用的计算机模型考虑到了两个粒子碰撞所产生的引力，同时基于广义相对论原理进行了高级数学运算。

《科学》每日新闻网报道称，只有碰撞的粒子总能量达到三分子一普朗克能量时才可能形成黑洞。普朗克能量是一个相当大的能量，大约是一个闪电所需要的能量。

产生黑洞需要的能量让那些对LHC提出质疑的人士不再担心。因为普朗克能量是LHC最大碰撞能量的千万亿倍，由LHC产生黑洞的几率非常小。

【046、来无影去无踪的暗物质终现身？科学家震惊】

2021-04-18 果壳网

近日，美国费米国家实验室公布了最新缪子（μ 子）磁矩的测量结果，这立马引起了物理学界的广泛关注，我们对宇宙构成的认知，可能因此而发生变化！

费米实验室中巨大的超导磁铁存储环，粒子加速器产生的缪子束流进入储存环后，探测器即开始记录其运动状况 | fnal.gov

为什么这样说呢？因为追寻构成世界的基本元素，是科学史上最为悠久的问题之一。中国古人有云，一尺之棰，日取其半，万世不竭。而古希腊哲学家则认识到物质由基本的元素构成，甚至已经提出了 " 原子 " 的概念。当然，这些都是古人对于世界最原始的朴素认知，但对于探索宇宙的成分、物质的构成，人类从没有停止过。

粒子标准模型：一部物理学界的物种百科

经过众多科学先驱的努力，人们终于认识到，宏观的物质是由微观粒子构成的，很多微观粒子是由更小的粒子构成的，若粒子无法被分解，那么我们就称之为基本粒子，这样的一门学科叫做粒子物理（也叫高能物理）。

一台上世纪 60 年代的范德格拉夫式静电场粒子加速器 | wikipedia.org

上个世纪是粒子物理的黄金时期，通过研究宇宙射线、建造粒子对撞机等，人们对物质的认知不断深入。从原子到电子、原子核，从质子中子再到胶子、夸克，人们发现了大量的新粒子，又不断地分解这些粒子，就像集邮一样，物理学家们甚至还为粒子的命名权而明争暗斗，比如 1974 年，丁肇中与另一位物理学家伯顿 · 里克特同时发现了一个新粒子，丁肇中想称之为 "J" 粒子，而里克特则选用了希腊字母 "ψ"，后来科学界干脆就把这个新粒子叫做 "J/ψ" 粒子。

丁肇中与里克特，这次新粒子命名之争也成为现代物理学历史上一段知名公案 |Sandbox Studio, Chicago

除了基本粒子，人们对粒子之间的相互作用力也有了新的发现，除了万有引力和电磁力外，基本粒子之间还存在弱相互作用力以及强相互作用力。

随着发现的粒子越来越多，而且五花八门，粒子之间的关系也繁琐复杂。正如门捷列夫建立元素周期表一样，人们隐约觉得，如此繁多粒子的背后，也应该有一个相似的 " 粒子周期表 "。在这个思想指导下，标准模型横空出世！标准模型就像是粒子物理学家的圣经一样，对微观世界的研究，都要接受它的指导。

如果仅仅能解释已知的现象，那也难服众人。2013 年，欧洲核子中心的大型强子对撞机发现了一个新粒子，这个粒子完全是标准模型预言的粒子，也就是大名鼎鼎的希格斯粒子。这一战，标准模型就此封神！

正所谓否极泰来，物极必反。标准模型变得完美的时候，也恰恰是其不完美开始显现的时候。时间长了，人们也慢慢地发现，标准模型似乎也不是那么 " 标准 "。比如说，标准模型 " 规定 "，基本粒子之一的中微子不能有质量，要以光速在宇宙中穿梭，然后实验测量发现，中微子耍了一点小滑头，它以非常接近光速的速度运动，而且有非常小的质量，不仔细看，还真发现不了这一点！这种结果让人们很不爽，如此完美的标准模型竟然不完美，但人们又无可奈何，只能接受这一点。

有人看到了危机，有人却能看到机遇！这或许是破旧立新的机会，虽然标准模型还没多旧。当不可战胜的神流血之后，就会有越来越多的挑战者！而这一次费米国家实验室实验的内容，是测试缪子磁矩。缪子，也是标准模型中的基本粒子之一，它是我们熟知的另一个基本粒子——电子——的二哥，除了比电子重 200 多倍，其它没有什么区别。

什么是磁矩呢？大家中学物理课可能学过，作用力促使物体绕着转动轴或支点转动的趋向，称为力矩。那么缪子的运动模式，是像陀螺一样飞速绕着中心轴旋转，这种自转运动形成了沿着缪子自转轴排列的磁场。这个围绕缪子产生的磁场力矩，就被称为磁矩。

费米实验室的科学家在观察缪子磁矩的时候，发现一个有趣现象：那就是看似空无一物的真空，实则暗流涌动，风云四起！一个静止的缪子，会在周围的真空中激发出正反粒子对，这些粒子对从真空中涌现，又在瞬间消失的无影无踪，如同奇幻电影里的小精灵，突然出现又突然消失。这些小精灵一样的神秘粒子，虽然没法被直接观察到，但却对缪子的磁矩产生可观的影响。

在费米实验室本次实验中，缪子身边出现了无数神秘粒子 | | Jorge Cham,physics.aps.org

如果把缪子看作一个小陀螺，那么它在自转时，由于磁场的存在，也不是笔直地按照中心轴稳定旋转，而会出现中心轴 " 扭来扭去 " 的现象。也就是说，那些神秘的小精灵一样的粒子，似乎有一种无法看到的力量，让这只小陀螺在自转中，扭动的 " 姿势 " 和预测中的不一样。

虚粒子——打开新物理大门的小精灵

其实，在之前的物理学研究中，科学家也注意到了这些神秘的小精灵，由于来无影去无踪，干脆就把这些粒子叫做"虚粒子"！著名物理学家施温格在 1947 年最先计算了虚粒子对电子的影响，这在当时是巨大的理论进步，以至于他去世之后，墓碑上都镌刻了这个结果。

虽然有一个"虚"字，但是虚粒子的影响却是实实在在的。因此理论计算的时候，就要把所有已知的粒子都考虑进去，这是非常繁琐的事情，虚粒子瞬息万变，想抓住它并不容易，甚至使用了超级计算机进行计算。然而，迎接理论物理学家的并不是胜利的号角，实验物理学家经过多年的努力，发现事情并没有这么简单。电子磁矩的理论计算与实验结果，在小数点后 11 位还能保持相同，理论与实验呈现高度的一致性，标准模型不愧为粒子物理学的圣经！这也是物理学中最精确的结果，没有之一！

然而，当人们把目光转向缪子的时候，预期的完美结果并没有出现，理论计算与实验测量总是差一点点，这一点点的差距在 20 年前就被发现，经过了 20 年的努力，这一差距并没有缩小，反而越发坚固！

与理论不同，实验测量的是最真实的宇宙，宇宙并不会因为一个粒子不在标准模型里就歧视之，天地不仁，以万物为刍狗，所有粒子都被一视同仁地参与缪子磁矩。

当实验结果与理论计算结果不一致时，机遇就再次展现出来！标准模型不完美的呼声也越来越高了，宇宙中很有可能还有新的没有被发现的粒子，这些粒子不在标准模型之内，因此理论计算自然没有包含它们的贡献，理论与实验有差距也就很容易理解了。

夜幕降临，抬头望向夜空，繁星点点。我们看见的，真的就是整个宇宙吗？有时候眼睛往往会蒙蔽真相。上个世纪，天文学家的观测彻底颠覆了人们对于宇宙的认知，普通可见物质只占到了宇宙总成分的 5%！除此之外，宇宙中还有 26% 的不可见物质，也就是大家常说的暗物质。暗物质是普通物质的五倍还多！当然，还有 69% 的暗能量，不过那是另外一个故事，此处不予多说。

就像普通物质是由各种基本粒子构成的一样，人们也自然地相信暗物质也会是由某种基本的粒子构成，那么构成暗物质的基本粒子到底是什么呢？探索宇宙的道路不会一帆风顺，至少在这一步，人们已经举步维艰很久了。人们上天入地，想找到暗物质粒子的踪迹，但是遗憾的是，到目前为止，暗物质粒子的影子都没有发现。

因此，缪子磁矩就像是一针强心剂，人们觉得好像又行了！大家很自然地联想到暗物质，也会自然地想，这两者有相同的内在机制。这个结果，给暗物质研究、宇宙构成与演化问题带来了新的机遇，毕竟暗物质在宇宙中的占有量是普通可见物质的五倍！

当然，这些听起来很振奋人心，但是物理学家对于一个结果总是会慎之又慎！实际上，目前的实验结果并不被认为是一个确定的发现，因为这样的好结果有可能是因为统计数据不够，数据误差过大导致的，这样的可能，目前有四万分之一的概率。一般来说，只有这个概率小于千万分之三，才会认为是真的发现了新的现象！

虽然如此，目前的结果也足够令人振奋人心。费米实验室将在未来几年内继续测量缪子磁矩，收集更多的数据，相信那时候我们会有一个更坚实的结果。回想彼时，十九世纪初，开尔文勋爵演讲中的 " 两朵乌云 "，直接带来了相对论与量子力学这两个重量级的物理学革命，我们对宇宙的认知也发生了翻天覆地的变化！再看此时，或许我们也处于相似的境地，一个小小的缪子，或许就是通向未来新物理的起点也说不定呢！

【047、哪里的食物？125亿年前的黑洞疯狂长大】

2021-04-17 天文

天文学家使用欧洲南方天文台的甚大望远镜，观测到了宇宙中一些最早星系周围的低温气体库。这些气体晕是这些星系中心超大质量黑洞的完美食物，这些黑洞现在被认为是125亿年前的样子。这种食物储存也许可以解释为什么这些“宇宙怪兽”在宇宙历史上，被称为“宇宙黎明”的时期生长得如此之快。德国海德堡马克斯·普朗克天文学研究所的伊曼纽尔·保罗·法里纳领导了发表在《天体物理学》期刊上的这项研究。

天文学家现在第一次能够证明，原始星系环境中确实有足够的食物来维持超大质量黑洞增长和旺盛的恒星形成。这为天文学家正在构建描绘120亿多年前宇宙结构如何形成的谜题增加了一块基础。超大质量黑洞是如何在宇宙历史上这么早就变得如此之大？研究表明：这些质量是太阳的几十亿倍，早期黑洞的存在是一个很大的谜。

这意味着，第一批黑洞可能是从第一批恒星的坍塌中形成，它们的增长速度肯定非常快。但是，到目前为止，天文学家还没有发现足够多的“黑洞食物”（气体和尘埃）来解释这种快速增长。让事情更复杂的是，之前用阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列ALMA进行的观测显示，这些早期星系中存在大量尘埃和气体，这些尘埃和气体助长了恒星的快速形成。

ALMA的这些观测表明，可能几乎没有剩余的东西来喂饱一个黑洞。为了解开这个谜团，天文学家使用智利阿塔卡马沙漠ESO甚大望远镜上的缪斯仪器来研究类星体。这项研究观测了31个类星体，这些类星体被认为是125亿多年前的样子，当时宇宙还是一个婴儿，只有大约8.7亿年的历史。这是宇宙历史上最大的类星体样本之一。

天文学家发现，12个类星体被巨大的气晕包围：从中央黑洞延伸10万光年、质量是太阳数十亿倍的冷密氢气光晕。来自德国、美国、意大利和智利的研究小组还发现，这些气体晕与星系紧密结合，为维持超大质量黑洞的增长和旺盛的恒星形成，提供了完美的食物源。这项研究之所以成为可能，要归功于欧洲南方天文台VLT上的多单元光谱探测器MUSE（缪斯）的超高灵敏度，这是类星体研究中的“游戏规则改变者”。

在每个目标的几个小时内，研究人员能够深入研究年轻宇宙中存在的最大质量和最贪婪黑洞的周围环境。虽然类星体很明亮，但它们周围的气晕却很难观察到，但缪斯可以探测到晕中微弱的氢气辉光，让天文学家最终揭示出：为早期宇宙中超大质量黑洞提供动力的食物储备。

【048、彭罗斯与黑洞】

-卢昌海-

2020年10月6日，瑞典皇家科学院(The Royal Swedish Academy of Sciences)宣布了2020年诺贝尔物理学奖的得主。英国数学物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)由于“发现黑洞的形成是广义相对论的坚实预言”(for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity)获得了一半奖金；德国天体物理学家赖因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)和美国天文学家安德烈娅·盖兹(Andrea Ghez)则由于“在我们星系中心发现超大质量致密天体”(for the discovery of a supermassive compact object at the centre of our galaxy)分享了另一半奖金。

这两项获奖研究都是关于黑洞的，前者是纯理论研究，后者是观测，可谓相得益彰。在本文中，我们将对前者作一个简短介绍。

作为背景，我们先介绍一下“黑洞”(black hole)这个概念。这个概念的起源常被回溯到英国地质学家约翰·米歇尔(John Michell)。1783年，米歇尔在牛顿万有引力定律的基础上得到了一个如今中学生也能推导得出的结果，即一个密度跟太阳一样的星球若直径比太阳大几百倍，引力就会强大到连光也无法从它的表面逃逸(从而看上去将是“黑”的)。1796年，法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)也得到了同样结果。这些结果通常被视为黑洞概念的萌芽。

不过，米歇尔和拉普拉斯的黑洞跟我们如今所说的广义相对论中的黑洞除在“半径”这一参数上恰好相同外[注一]，其实鲜有共同之处。比方说，前者的“黑”只是光无法逃逸到远处，但在近处仍可看到，后者则不然；甚至就连所谓“恰好相同”的“半径”这一参数，彼此的含义也完全不同，前者是从黑洞中心到表面的距离，后者则不具有这样的意义，而只是视界(下文将会介绍这一概念)周长除以2π的简称(这在广义相对论中跟前者不是一回事)。至于各种微妙得多的其他特性，则更是广义相对论中的黑洞(以下将简称为“黑洞”)所独有的[注二]。因此，彭罗斯就曾说过，“黑洞的概念实际上只能从广义相对论的特殊性质里得出，而并不出现在牛顿理论中。”

那么，黑洞的概念是如何“从广义相对论的特殊性质里得出”的呢？这得回溯到1916年1月。那时距爱因斯坦提出广义相对论虽才不到两个月，一位名叫卡尔·施瓦西(Karl Schwarzschild)的德国物理学家就得到了广义相对论的一个严格解——如今被称为施瓦西解。

施瓦西解描述的是一种球对称的时空，它有两个非常引人注目的特点——都表现为“0”出现在分母上，从而使数学表达式失去意义：其中一个出现在球对称的中心处，另一个则出现在一个球面上，这个球面的半径被称为“施瓦西半径”(Schwarzschild radius)。在经过很长时间的研究后，物理学家们才逐渐理解了这两个特点的真正含义：其中前者被称为“奇点”(singularity)，具有诸如时空无限弯曲之类的“病态”性质，并且会让物理定律失效[注三]；后者则被称为“事件视界”(event horizon)，简称“视界”(horizon)，它虽然一度也被视为奇点，实际上却只是施瓦西所用的特定坐标的缺陷。

奇点和视界是黑洞的两个主要特征，因此施瓦西解的问世在一定意义上可视为广义相对论对黑洞的最早预言。但这种预言只说明了广义相对论原则上可以描述黑洞的主要特征，可以允许奇点和视界那样的东西，却并不能告诉我们实际上是否会有任何物理过程真正产生出那样的东西。如果没有，则所谓“原则上可以”依然不过是镜花水月。

那么，实际上到底有没有什么物理过程能产生黑洞呢？1939年，美国物理学家罗伯特·奥本海默(J. Robert Oppenheimer)及其学生哈特兰·辛德(Hartland Snyder)的一项研究向着回答这一问题迈出了重要一步。奥本海默和辛德研究了恒星在耗尽核燃料(从而不再有辐射压来抗衡引力)之后的坍塌过程，结果发现，对远方的观测者来说，当恒星坍塌到接近视界时，从恒星表面发出的光的波长会变得越来越长，坍塌过程会显得越来越慢，直至“冻结”。由于这个奇异的效应，黑洞有一个早期的名字叫作“冻结星”(frozen star)。但这个效应并不说明黑洞无法形成，而只是如同一盒放了一半就慢慢停下的录像带，使人无法看到结局，却并不意味着结局没有发生[注四]。更何况，奥本海默和辛德同时还发现，对跟随恒星一同坍塌的观测者来说，坍塌会毫不停滞地穿越视界，并且在有限时间内产生奇点，从而显示出黑洞是可以形成的[注五]。

有了这些研究，是不是可以认为黑洞的形成已经是广义相对论的预言了呢？还不能。因为无论施瓦西解还是奥本海默和辛德的研究，都依赖于一个在现实世界里无法严格实现的对称性——球对称性。更糟糕的是，由于广义相对论是一个非常复杂的理论，对称性对当时几乎所有的同类研究都是必不可少的。比如新西兰数学家罗伊·克尔(Roy Kerr)于1963年得到了广义相对论的一个描述旋转黑洞的解——被称为克尔解(Kerr solution)，这个解比施瓦西解普遍得多，却也依赖于一种对称性——轴对称性。虽然恒星大都接近轴对称甚至球对称，却绝不可能是严格轴对称或球对称的。类似地，广义相对论的很多宇宙学解也依赖于对称性——比如均匀及各向同性。这些对称性在现实世界里都是无法严格实现的。

通常来说，物理学家们是不会在对称性无法严格实现这一点上吹毛求疵的，因为对称性是他们研究现实世界最有力的工具，说是朋友亦不为过。但黑洞的形成是一个例外，因为如前所述，黑洞的主要特征之一乃是奇点，而奇点会让物理定律失效。由于物理定律是物理学家们的“吃饭家什”，面对物理定律失效那样的严重后果，就连对称性这位朋友也变得可以舍弃了。因此，很多物理学家将问题归因于对称性，认为奇点是不存在的，所有貌似能产生奇点和黑洞的过程都是因为引进了对称性，只要舍弃对称性，奇点和黑洞就能被“消灭”——即不会形成。持这种观点的代表人物是苏联物理学家E.M.栗弗席兹(E. M. Lifshitz)和I.M.卡拉特尼科夫(I. M. Khalatnikov)等人——姑称之为“苏联学派”。

20世纪60年代初，“苏联学派”在舍弃对称性的情形下对广义相对论进行了深入研究，试图证明奇点不会形成。他们甚至一度以为自己完成了证明，将之写入了列夫·朗道(Lev Landau)与栗弗席兹合撰的名著《理论物理教程》(Course of Theoretical Physics)中。而自施瓦西解问世以来，出于其他种种考虑对奇点和黑洞的存在持怀疑态度的物理学家则为数更多，其中包括了爱因斯坦本人[注六]。

正是在这种背景下，彭罗斯——据他自己回忆——于1964年秋天(时年33岁)实质性地介入了黑洞研究。

美国物理学家基普·索恩(Kip Thorne)曾经讲述过一些彭罗斯年轻时的趣事，我们分享一则作为对其人的介绍。彭罗斯父母的职业领域都跟医学有关(父亲是人类遗传学教授，母亲是医生)，也因此，他们希望自己的四个孩子中起码有一人能以医学为职业。但是等到彭罗斯选择专业时，他的两个兄弟一个已选了物理(后来成为了知名的统计物理学家)，一个已选了国际象棋(后来获得过十次英国冠军)，他妹妹还太小，他自己想选的则是数学。眼看着“起码有一人能以医学为职业”的希望就要落空，彭罗斯父母对他的专业选择进行了干预。在彭罗斯父亲的要求下，他所报考的大学对他进行了一次特殊的数学能力测试。测试总计有12道题，普通学生能做出一两道就算不错，而彭罗斯12道全做对了。这样他就从父母那里赢得了学数学的“许可证”。(顺便说一下，彭罗斯那位当时还太小的妹妹后来终于当了医生，圆了父母的希望。)

作为数学系学生的彭罗斯于1957年以一项几何领域的研究获得了数学博士学位。但早在拿到学位之前，他就因为听了英国天体物理学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)的广播讲座，以及与英国物理学家丹尼斯·夏马(Dennis Sciama)相识，而对天文和物理也产生了兴趣。霍伊尔是当时流行的宇宙模型之一“稳恒态模型”(steady-state model)的主要支持者，夏马对之亦有所涉猎。受他们影响，彭罗斯对稳恒态模型也进行了研究。此外，跟夏马的相识还为他后来跟斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的合作埋下了伏笔——因为霍金的博士导师正是夏马。

稳恒态模型是一个很快就失败了的宇宙模型，于20世纪60年代被多数天文学家所放弃。在那之前，它虽然流行，却也已面临一些问题。由于稳恒态模型也依赖于对称性，因此跟奇点的情形相类似，稳恒态模型的一些支持者也将问题归因于对称性，只不过努力的方向正好相反，是希望通过舍弃对称性来“挽救”稳恒态模型。受这种希望影响，彭罗斯也在舍弃对称性的情形下对稳恒态模型进行了研究，结果却并未发现实质差别——也就是说稳恒态模型的问题无论有没有对称性都依然存在。这段经历对彭罗斯后来的黑洞研究有很大的启示，因为它显示了舍弃对称性未必能起到人们所希望的作用。既然如此，那么会不会无论对称性存在与否，奇点都依然存在呢？这种考虑使彭罗斯后来的黑洞研究与“苏联学派”截然不同。

现在言归正传，1964年秋天，彭罗斯开始实质性地介入黑洞研究。诱使他介入的是前一年——也即1963年——刚刚发现的一种奇异天体，这种很快被称为“类星体”的天体比星系还“亮”得多，线度却只有星系的百万分之一(因而看上去类似于星星——“类星体”之名由此而得)，从而必然包含了高度致密的结构。初步的分析表明，这种“类星体”最有可能的“发光机制”是一个巨型黑洞吞噬包括恒星在内的物质(物质在被吞噬之前会发射出强烈的辐射)。这个对黑洞存在构成某种支持的新发现，以及上文提到的由研究稳恒态模型得来的启示，使彭罗斯从一个与“苏联学派”相反的目标介入了黑洞研究——即试图在不依赖于对称性的情形下探究奇点形成的普遍性(而不是试图证明奇点不会形成)。

彭罗斯的研究不仅目标与“苏联学派”相反，手段也截然不同。“苏联学派”的研究偏于例证，致力的是在舍弃对称性的情形下求解广义相对论，以便寻找奇点不会形成的例子；而彭罗斯由于探究的是奇点形成的普遍性，而非具体的例子，故并不致力于求解广义相对论。既然不求解广义相对论，那么诸如星球的形状、大小等等因素也就都不重要了。由于广义相对论是一个高度几何化的理论，奇点的形成则是时空性质方面的一个高度几何化的问题。熟悉数学的人都知道，在几何问题中，如果形状、大小等等因素都不重要，那么剩下的就是所谓拓扑性质了。因此彭罗斯的研究大量采用了拓扑手段——他自己称之为“光线拓扑学”(light-ray topology)，这恰好也是他作为数学家——而且是以几何领域的研究获得博士学位的数学家——的强项。

目标虽已确定，手段虽属强项，对奇点的研究依然很是艰深，需要一定的灵感。彭罗斯后来记叙过他在这一研究中的一个重要灵感的由来。那是在1964年晚秋，他开始探究奇点问题之后不久的某一天，彭罗斯与数学物理学家艾弗·罗宾逊(Ivor Robinson)一边走在街上，一边讨论着问题(那问题与奇点和黑洞并无关系)。在穿越一个路口时，他们遇到红灯停了下来——并且也暂停了讨论，就在那短短的间歇里，证明奇点定理的一个重要灵感出现了。那天晚些时候，彭罗斯在办公室里细细回想自己的思路，终于将那个灵感清晰地“发掘”了出来[注七]。

借助那个灵感，经过几个月的努力，彭罗斯证明了一个重要的结果——是如今被称为“奇点定理”(singularity theorem)的一大类定理中最早的一个，以“引力坍塌和时空奇点”(Gravitational Collapse and Space-time Singularities)为题发表于1965年。简单地说，彭罗斯的奇点定理包含这样几个组成部分——也是之后所有其他奇点定理的基本结构：首先是假定物质具有一定的性质，其次是对时空本身施加一定的要求，最后是假定物质分布满足一定的条件；在这三类前提之下，彭罗斯证明了奇点的形成是普遍而必然的——尤其是，不依赖于对称性。

彭罗斯并不是最早采用拓扑手段研究时空结构的人。比他早了十几年，两位苏联数学家就在这方面展开了研究，且发展出了一套强大而漂亮的方法[注八]。可惜的是，这两位数学家后来一位职位高升(担任了行政领导，将越来越多的时间花在了行政事务上)，另一位锒铛入狱(被打成了“反苏维埃集团”的成员)，最终都停止了这一方向的研究，也并未产生影响。彭罗斯的研究则不同，不仅得到了漂亮的结果，而且很快引起了关注。

就在彭罗斯证明奇点定理的那一年——即1965年，“第三届国际广义相对论与引力大会”在英国伦敦召开。这届会议聚集了全世界最顶尖的广义相对论专家，就连“苏联学派”的栗弗席兹和卡拉特尼科夫也跨越“冷战”鸿沟来到伦敦，报告了他们本质上是否定性的奇点研究。这次会议也因此成为了彭罗斯的奇点定理与“苏联学派”的否定结果之间的首次“碰撞”。

“碰撞”虽未即刻分出胜负，但彭罗斯的研究吸引了几位在几何和拓扑上有深厚功底的年轻物理学家的兴趣，其中包括夏马的研究生霍金——他当时也在研究奇点，只不过研究的是宇宙学奇点而非黑洞奇点；以及与霍金同龄的美国理论物理学家罗伯特·杰罗奇(Robert Geroch)。之后的几年间，彭罗斯、霍金、杰罗奇等人在各种不同的前提下，轮番证明了更多的奇点定理，使奇点定理及奇点和黑洞的存在获得了越来越多的认同。

这种认同终于撼动了“苏联学派”。

1969年9月，美国物理学家索恩访问了苏联。趁这个机会，栗弗席兹交给了索恩一份手稿，让他秘密带到美国去发表(因为——据索恩记叙——当时苏联的一切学术手稿被自动视为秘密文件，非经冗长的解密审核不能与国际同行交流)。在那份手稿里，“苏联学派”承认了他们对奇点的否定是错误的，并表示会对《理论物理教程》作出修订。

“苏联学派”的认错扫清了对奇点和黑洞存在的主要怀疑。但彭罗斯的奇点定理本身却仍有一些不足之处。这不足之处体现在前提上。如前所述，奇点定理的前提共分三类，这其中物质具有的性质本质上只是能量密度不能为负，这在广义相对论所属的经典物理里是没有争议的；物质分布满足的条件在诸如大质量恒星的坍塌过程中是可以实现的，因而也没什么问题；但对时空本身施加的要求则显得太强。事实上，这个要求——具体地说，是要求时空中存在一个所谓的柯西超曲面(Cauchy hypersurface)——是如此之强，不仅极不可能被观测所证实，理论上也大有争议，甚至彭罗斯本人在与奇点定理几乎同时发表的另一篇论文中就包含了一个反例。这个不足之处彭罗斯自己，以及步他后尘研究奇点定理的霍金等人也都知道。比如霍金在自传中就曾表示，彭罗斯以及他自己的早期奇点定理所证明的有可能只是柯西超曲面的不存在，而非奇点和黑洞的存在；彭罗斯本人也在后续研究中承认，在广义相对论中假定柯西超曲面的存在是缺乏理由的。奇点定理之所以会成为一大类定理，很大程度上正是为了消除前提上的不足之处。在1965年之后的那些奇点定理中，彭罗斯、霍金、杰罗奇等人尝试变通的主要就是定理的前提。

最终，彭罗斯与霍金合作，于1970年发表了一篇题为“引力坍塌及宇宙学中的奇点”(The Singularities of Gravitational Collapse and Cosmology)的论文，提出了如今被称为“霍金-彭罗斯奇点定理”(Hawking-Penrose singularity theorem)的新“版本”。这个“版本”用更有经验基础，从而更现实的前提表述了奇点定理，且同时涵盖了黑洞奇点和宇宙学奇点。学过逻辑的人都知道，一个逻辑推理要想确保结论正确，不仅推理必须严密，前提也必须成立。完全类似的，一个描述物理世界的定理要想确保结论坚实，在推理严密之外还必须确保前提有现实性，两者缺一不可。从这个意义上讲，“霍金-彭罗斯奇点定理”由于前提更现实，结论也就更坚实。在所有这些奇点定理中，若问哪一个最称得上“发现黑洞的形成是广义相对论的坚实预言”，答案非“霍金-彭罗斯奇点定理”莫属[注九]。

我们对彭罗斯和他荣膺此次诺贝尔物理学奖的黑洞研究的已不太简短的“简短介绍”到这里就要结束了。最后值得指出的是，彭罗斯的这一黑洞研究跟获得诺贝尔物理学奖的其他研究，乃至绝大多数其他物理研究相比，有一个非常独特的地方，那就是它远比那些其他研究更接近于纯数学的定理——只不过是以广义相对论为框架而已。这是因为，彭罗斯的这一黑洞研究只是替广义相对论作出了一个“坚实预言”——那预言无论被推翻还是证实，影响的都是广义相对论而不是彭罗斯的研究，后者的正确性只取决于它的数学推理的正确性。今年的诺贝尔物理学奖被一些人戏称为是天文研究获得了物理学奖，但实际上，彭罗斯的这一半更可以说是数学研究获得了物理学奖。天文研究获得物理学奖早已屡见不鲜，数学研究获得物理学奖则几乎是开先河的。

注释

米歇尔和拉普拉斯给出的黑洞半径为2GM/c2(其中G是牛顿万有引力常数，M是黑洞质量，c是光速)，跟后文将会提到的施瓦西解中的视界半径——也称为施瓦西黑洞的半径——恰好相同。

拙作“黑洞略谈”对米歇尔和拉普拉斯的黑洞作了比本文略多的介绍，可参阅。

对“奇点”的确切定义是一个相当艰深的话题，感兴趣的读者可参阅拙作《从奇点到虫洞》。

这个效应是视界附近的时间延缓(或等效地，引力红移)效应造成的，实际上并不会使黑洞的形成过程真正“冻结”。因为任何观测都不是无限精密的，从恒星表面发出的光的波长变得越来越长后，能量会越来越低，实际上很快就会观测不到——黑洞的形成过程也就完成了。最近几年通过引力波观测黑洞双星合并就是例子，来自视界附近的引力波信号原则上也会“冻结”，但实际上很快就会因精度所限而观测不到——黑洞的合并过程也就相当于完成了。

奥本海默和辛德的研究其实有一个很大的局限性，那就是忽略了压强(以保障坍塌能进行到底)。但他们认为，只要坍塌不会被压强所终止，他们的定性结论就不会受影响——即坍塌依然会在有限时间内产生奇点。细究的话，即便这一看法成立，由于他们并未证明坍塌不会被压强所终止，其实也就没能证明坍塌一定会产生奇点。

爱因斯坦怀疑黑洞的一个理由可参阅拙作“黑洞略谈”。

彭罗斯的灵感涉及的是所谓“封闭陷获面”(closed trapped surface)的概念，对这一概念感兴趣的读者可参阅拙作《从奇点到虫洞》。

这两位苏联数学家分别是A.D.亚历山德罗夫(A.D.Aleksandrov)和R.I.皮蒙诺夫(R.I.Pimenov)，其中前者是著名数学家，指导过的博士生包括了2006年菲尔兹奖(Fields Medal)得主格里戈里·佩雷尔曼(Grigori Perelman)。

奇点定理顾名思义，是关于奇点而不是黑洞的定理。将奇点定理诠释为“发现黑洞的形成是广义相对论的坚实预言”并不是显而易见的事情，涉及到黑洞与奇点之间的微妙关系。本文由于是通俗介绍，对这种关系不作展开，只笼统地将奇点称为黑洞的主要特征之一，甚至有时不加区分地使用两者。对细节感兴趣的读者可参阅拙作《从奇点到虫洞》。

参考文献

S. Hawking, Hawking on the Big Bang and Black Holes, (World Scientific Publishing Co. Pue. Ltd., 1993).

S. Hawking, My Brief History, (Bantam Books, 2013).

R. Penrose, The Emperor's New Mind: Concerning Computers, Minds, and the Laws of Physics, (Penguin Books, 1991).

R. Penrose, Cycles of Time: An Extraordinary New View of the Universe, (Vintage Books, 2012).

R. Penrose, Fashion, Faith, and Fantasy in the New Physics of the Universe, (Princeton University Press, 2016).

J. M. M. Senovilla and D. Garfinkle, arXiv:1410.5226 [gr-qc].

K. S. Thorne, Black Holes & Time Warps, (W. W. Norton & Company, 1995).

卢昌海，《从奇点到虫洞：广义相对论专题选讲》，(清华大学出版社,2013).

2020年10月13日完稿，2020年10月17日发布

【049、绕白矮星旋转的巨行星首次发现，证明大质量行星可在恒星塌缩后继续“生存”】

2020-09-17 科技日报

英国《自然》杂志16日公开一项天文学最新发现：美国科学家团队首次公布了一颗木星大小的行星绕白矮星旋转的证据。这一发现为一种理论提供了坚实依据，即大质量行星能够在白矮星形成期间迁移到附近轨道，并继续“生存”下去。

虽然科学家一直有所猜测，一些白矮星的轨道上可能会存在行星，但长久以来，人类从未在此探测到完整的行星。这是因为，白矮星其实是类太阳恒星发生坍缩、大气被剥离后剩下的核。白矮星一般和地球差不多大小，质量是太阳的一半左右。但这样一颗与地球体积相当的白矮星（比如说天狼星的邻星Sirius B），表面重力却约等于地球表面的18万倍，在此高压下，任何物体都已不复存在。

迄今发现的大部分系外行星，都围绕最终会形成白矮星的恒星旋转。一旦这些恒星燃尽储备的氢，它们会先演化成红巨星，再膨胀，然后吞噬掉附近轨道的所有行星。正因如此，周围的任何行星都不太可能在恒星的白矮星阶段还能继续绕其旋转。

然而此次，利用美国国家航空航天局凌日系外行星巡天卫星任务的数据，包括美国威斯康星大学麦迪逊分校天文学家安德鲁·范德伯格在内的研究团队，报告发现一个巨行星候选体（被称为WD 1586b）对白矮星WD 1856+534每1.4天凌星一次。研究人员估计，WD 1586b的质量不会超过木星的14倍。

研究团队假设，当WD 1856+534的前身星演化成一颗红巨星时，为了避免被摧毁，WD 1586b当时必须距离这颗宿主恒星超过1个天文单位（地球与太阳之间的距离）。然而，目前阶段尚不清楚它是如何抵达观测到这一附近轨道的，这里距离白矮星估计有四个太阳半径（或距离白矮星约等于水星到太阳距离的1/20）。

根据他们的模拟，研究人员认为，当这颗恒星演化成白矮星时，WD 1586b由于与行星系遗迹中的其他行星相互作用，被抛射到了附近的轨道。

白矮星代表了太阳的未来，一个只剩下核心的太阳。在我们银河系里，97%的恒星最终都会演化成白矮星——高热且高密度，只有在它燃尽全部剩余燃料后才会开始降温，但可能需要数十亿年时间。听起来是相当漫长的经历，但这其实已经是恒星生命周期的最后一程了，而从红巨星阶段就开始的疯狂“折腾”，让白矮星周围几乎没法存在任何行星，现今首次出现的证据，不但能助力我们揭示一个恒星系统的历史，还将窥见一个遥远的未来——我们太阳系的最终结局。

【050、人类史上首张黑洞照片公布】

2019-04-11 新京报

黑洞研究史

●1798年

法国数学家、物理学家拉普拉斯根据牛顿力学计算，一个直径为太阳250倍而密度与地球一样大的天体，其引力足以捕获其发出的光线而成为一个暗天体，也称为“暗星”。

●1915年

爱因斯坦广义相对论诞生，预言存在黑洞这样一种天体。

●1916年

德国天文学家史瓦西发现所有的星体都存在一个史瓦西半径，如果星体的实际半径比它的史瓦西半径要小，那么它就会变成一个黑洞。比如，太阳的史瓦西半径是3000米。

●1939年

美籍犹太裔物理学家奥本海默根据广义相对论证明，当天体的质量大于临界质量时，引力坍塌后不可能达到任何的稳态，只能形成黑洞。

●1970年

美国的“自由”号人造卫星发现位于天鹅座X-1上一个比太阳重30多倍的巨大星球，被一个重约10个太阳的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞，这是人类发现的第一个黑洞。

●1974年

英国物理学家霍金证明黑洞具有与其温度相对应的热辐射，称为“黑洞辐射”。黑洞的质量越大，温度越低，辐射过程就越慢。

人类首张黑洞照片“冲洗”完成，这一神秘天体终于被人类看到了真容。4月10日晚，数百名科学家参与合作的“事件视界望远镜（EHT）”项目在全球多地同时召开新闻发布会，发布了人类拍到的首张黑洞照片。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”。

完美验证爱因斯坦相对论预言

中国科学院上海天文台研究员袁峰在发布会现场介绍，照片上的黑洞离地球有5500万光年，质量大概是太阳的65亿倍。照片上是它5500万年以前的样子，黑洞周围的空间是弯曲的。黑洞本身是不可见的，把黑洞放到放光的背景里，看到的照片就是这样。

据袁峰介绍，照片中一部分是中心区域不太发光的阴影，另一部分是围绕这个阴影的发亮的圆环。“我们最先看到的是M87星系，随着视角拉近，我们看到了黑洞喷流的结构，最后对黑洞进行了成像。大家想知道为什么黑洞会形成阴影，黑洞会形成一个环状吸积盘，与吸积盘垂直的方向有一个喷流结构。吸积流快速旋转，大概两天就能绕着M87转一周，随着物质的吸积，接近黑洞的时候，物质会变得非常热，发出非常强的辐射，就会被我们看见。由于一部分光子被黑洞吞噬，就会形成阴影。”袁峰解释，光就是从吸积盘上发出的，而黑色的阴影要比黑洞本身大几倍。

袁峰说，图片中亮的区域和暗的区域，对比度超过10倍。周围有个圆环结构，十分接近圆形，是因为引力透镜造成的。另外南北的不对称性很明显，南边亮，北边暗。这是因为多普勒增量效应，南边物质朝我们运动，就会变亮；北边物质远离我们，就会变暗。

“现在看到的亮环就是光线扭曲以后得到的结构，如果不扭曲，是看不到这样的图像的。理论和观测是互相促进的。”袁峰表示，目前来看，这张照片验证了爱因斯坦的广义相对论，后续的观测将解决一些还没搞清楚的问题。

他解释，黑洞的视界并不是发光区域，这个黑洞的视界在阴影里，比阴影面积要小一些。具体多大，广义相对论做出了详细的预测。

袁峰具体解释，人类通过射电望远镜得到这样一张照片，结合爱因斯坦广义相对论和黑洞吸积理论进行预测，把观测到的图像和预测的图像对比，发现吻合得非常好，完美地验证了爱因斯坦的广义相对论。

现场科学家介绍，能够得到这样一个图像，需要有地球直径大小的望远镜，为了得到这样一个望远镜，要求把地面上能够针对黑洞成像的望远镜组合起来。望远镜越多，成像质量越好，以后随着更多望远镜加入观测网络，黑洞成像质量会更好，对爱因斯坦理论验证会更精确。

我国天琴计划将搜寻黑洞

记者了解到，包括中国科学院上海天文台在内的一些中国机构参与观测和数据处理，中科院国家天文台副台长薛随建说，此次参与为中国今后在相关国际合作中发挥更重要作用做了良好示范。

华中科技大学物理学院的科学家吴庆文教授也参与其中，他表示，他和研究生冯建超博士主要参与了理论分析方面的工作。在过去几年里进行了系列研究，他们对黑洞吞噬物质过程、黑洞自旋等重要信息做了较好限定，提出这次观测的黑洞图像应该是来自黑洞吞噬的物质，而非相对论性喷流。此外，还发现这个巨型黑洞很有可能是高速自转的。这次拍摄的黑洞照片，较好支持了他们的研究结果。

吴庆文说，目前由我国主导的天琴空间引力波探测器计划，预计在2030-2035年间发射，在10万公里高度的地球轨道上部署三颗绕地球运转的卫星，组成臂长17万公里的等边三角形，形成空间引力波探测器。天琴引力波探测器将可以探测到宇宙诞生初期第一代恒星或气体云塌缩形成的双大黑洞合并产生的引力波，这将帮助我们理解宇宙早期种子黑洞、黑洞的增长历史以及星系演化等重大天文与物理学问题。因此，天琴空间引力波计划必将成为下一个20年探测宇宙黑洞的利器，特别是可能会搜寻到大量的中等质量黑洞。

释疑1

在此之前如何确认黑洞的存在？

各种间接证据均证明黑洞确实存在

中科院国家天文台研究员苟利军表示，在这次拍照前，天文学家们通过各种间接证据表明，黑洞确实存在。

比如，恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，于是我们可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在，也可以根据黑洞吸积物质发出的光来判断黑洞的存在。再就是通过看到黑洞成长的过程发现黑洞。

中科院国家天文台研究员刘继峰领导的国际团队在世界上首次成功测量到X射线极亮天体的黑洞质量，研究成果2013年11月28日发表在国际权威杂志《自然》上。他们在3个月的时间跨度上对漩涡星系中X射线极亮源M101ULX-1进行了研究，并确认其中心天体为一个质量可与恒星比拟的黑洞。这个黑洞加伴星形成的黑洞双星系统位于2200万光年之外，是人类迄今发现的距离地球最遥远的黑洞双星。

释疑2

“事件视界望远镜”是什么？

8座望远镜组成超大“虚拟”望远镜

黑洞几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处，并在周围形成一个强大的引力场，在一定范围之内，连光线都无法逃脱。光线不能逃脱的临界范围被称为黑洞的半径或“事件视界”，也叫“视界面”。

现在望远镜的半径越造越大，我国的FAST已经有500米口径，已经发现了很多脉冲星。但是，要想观测遥远的黑洞，依靠目前任何单个望远镜都远远不够。2017年的4月5日到14日之间，来自全球30多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划，利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络。苟利军说，在2017年8个不同的望远镜进行观测的基础上，2019年又加了一台望远镜。

“事件视界望远镜”就是利用“甚长基线干涉技术（VLBI）”和全球多个射电天文台的协作，构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜。

释疑3

光都逃不出来，如何拍黑洞？

周围气体产生的光线和辐射可观测

苟利军解释，“连光都逃不出来”指的是黑洞里面的情况，这次拍摄的是黑洞周围尚未掉入黑洞的气体所产生的光线和辐射。

“在电影《星际穿越》中，在黑洞外部亮的圆环的衬托下，中间有黑色的区域，我们将这块区域称为‘黑洞的阴影’。”苟利军说。

《星际穿越》中黑洞巨大的吸积盘吸引了很多观众，被称为最接近黑洞的想象。不过，苟利军表示，因为之前谁都没有“看”到黑洞的照片，之前的图像都是想象和推测出来的。“广义相对论在很多情形下都被验证是正确的，如果广义相对论是正确的，那么我们看到的黑洞应该就是这样。”

释疑4

给“黑洞”拍照难在哪？

观测窗口期每年大约只有10天

要保证分布在全球各地的8个望远镜都能看到这两个黑洞，观测窗口期非常短暂，每年只有大约10天，2017年只有4月5日到4月14日合适。

苟利军说，这些望远镜都是在亚毫米波波段，通常需要在海拔比较高的地方来减少大气中水汽对于亚毫米光子的影响。比如位于智利的ALMA望远镜的海拔就有5000多米。据了解，这座望远镜耗资140亿美元，灵敏度是目前单阵列当中最高的。

释疑5

“冲洗”图像为何耗费两年？

庞大数据需要计算机进行复杂的处理

苟利军说，虚拟的大望远镜阵列并非直接拍出了黑洞的图像，而是给出了许多数据，必须经历复杂的计算机处理过程。

有8个不同的望远镜，每一个收到的数据量都非常大，加到一起差不多有10PB。现在一般的笔记本电脑的硬盘是1TB，这些望远镜为此次观测接收的数据可以装满1万多个笔记本。

此外，在2017年4月的联合观测以后，研究团队还进行了一些数据收集和校准的工作。苟利军说，科学家需要对望远镜接受的光子进行定标，确保不同望远镜接收到的光子是来自于同一时刻，最后才能将所有图像进行叠加。其中还有些缺失或模糊的部分，需要科学家们拼图。

光既有波动性又有粒子性，观测到的每一时刻波动性非常强，所以需要对每一时刻接收的相位进行校对。苟利军作了一个形象的比喻，“我们拍照片的时候，如果手晃动，相片会模糊。这跟相机的工作模式有关系，相机的曝光时间要非常短，比手晃动的速度快很多，才能拍清楚。这就是为何要用高速摄像机拍摄运动员奔跑的形象，如果用普通照相机拍摄，会得到一个模糊的照片。”

释疑6

这张照片在科学上有多重要？

一些悬而未决的问题有了解决的可能

苟利军说，因为是第一次看到黑洞，从科学的角度可以提供很多信息，帮助我们了解气体在黑洞内区真正的运动状态。

“之前根据研究，我们知道了黑洞周边有一些很壮观的现象，比如喷流等，还知道了黑洞的质量、转动等性质。但是，之前没有很好的方式去了解，虽然有一些方法，但可能有误差，也不知道是不是准确。因为不同的模型得到的结果往往偏差很大，相差几倍在天文学中是很正常的。”

有了这幅照片，科学中一些与黑洞有关的悬而未决的问题，就有了解决的可能。（记者李玉坤王俊）

【051、人类是怎样“看见”黑洞的】

今年的诺贝尔物理学奖再次花落天体物理学，一半授予罗杰·彭罗斯，其获奖原因是“发现黑洞形成是广义相对论的有力预测”；另一半授予根泽尔和盖兹，表彰他们“发现银河系中心有一个超大质量致密天体”。3位获奖者的工作均与黑洞有关。那么，科学家是怎样给黑洞拍照的呢？请听中科院上海天文台团委书记左文文在 “造就Talk”上的演讲。

“看见”黑洞，一直是人类的梦想。

在宇宙中的每一个大质量星系里，包括我们的银河系，都存在着一个超大质量的黑洞。科学家们已经通过一些间接的方法，比如观察它周围的恒星气体发出的光，或者两个黑洞因碰撞与合并产生的引力波，来确定黑洞的存在。就好像我们看不到风，但是可以看到风吹动落叶、旗帜，来判断风的存在。

可是，我们还不满足。人类的好奇心和探索欲驱使着我们想要知道：黑洞究竟长什么样子？可不可以直接看到黑洞？这就是为什么我们要给黑洞拍一张照片。

黑洞，它那强大的引力使得周围的气体会向中间下落。在这个过程中，周围的气体一边旋转一边向黑洞中心掉落，最后会在黑洞周围形成一个发光的腰带，我们称之为“吸积盘”。还有一些气体没有被吸进去，这些气体很可能会向外喷射出去，产生喷流。所以，黑洞其实并不是全黑的，在黑洞的周围，有吸积盘、喷流，这些物质都会产生光。

在黑洞周围的一定区域内，叫作“事件视界”。黑洞视界将它的内部与我们可见的宇宙隔绝开来。在黑洞视界附近，引力非常强，以至于连光线都弯曲了，围着黑洞绕圈，进而在积累效应下形成一个亮环。光环的内侧因为显得比较暗，所以称作阴影。

这个光环的半径有多大呢？在距离黑洞中心大约2.5倍黑洞半径的区域，会形成一个光环。所谓黑洞的半径，大家可以理解成是在黑洞周围光都无法跑出去的势力范围。

换算成数值的话有多大呢？在我们的银河系中心，有一个相当于410万倍太阳质量的黑洞。如果是一个太阳质量的黑洞，其势力范围是3000米，那么410万个太阳质量的黑洞，势力范围就是1200万千米。用上面提到的2.5倍换算一下，就能得出这个黑洞光环的直径大概是7000多万千米。

那么，它距离我们有多远呢？26000光年，相当于250亿亿千米。在这么远的距离，我们该如何拍到一个直径7000多万千米的光环呢？

其实，我们人类的眼睛就是一个小型望远镜，只是我们看东西用的是可见光波段。如果我们在可见光波段去观测这个黑洞，望远镜的口径需要造到6千米那么大；如果用红外波段去观测黑洞，望远镜的口径得造到15千米。

事实上，目前地球上最大的单口径光学和红外望远镜，口径也就10米那么大，要从10米跳跃到6000米，可不是通过努力就能实现的飞跃。地球上那么大的单个望远镜造不出来，但我们有一种技术，叫作VLBI——甚长干涉测量技术。这种技术的原理是这样的：假设地球上有4台望远镜，设在东南西北4个方向上，这时候我们共同构成的这个等效望远镜，它的等效口径相当于最远的两台望远镜之间的距离。

通过这样的技术，我们实现了一个等效口径和地球直径相当的望远镜。全世界的科学家一起，在全球6个地点设了8个台站，构成了一个事件视界望远镜（EHT）的网络。

科学家们对两个黑洞进行了拍照，一个是银河系的黑洞，还有一个是距离我们5500万光年之外的M87星系中心的黑洞。

2017年，我们花了10天时间共同进行拍照，获得了海量的数据。这些数据有多大？M87星系中心的黑洞照片数据，大小有3500T。1T是1024个G，我们平常看的高清电影，最多2G。如果把所有这些数据换算成大家看的电影，从早看到晚，一个人要300年才能把这些数据看完。

因此，我们花了近两年的时间，才完成了数据处理。2019年4月10日，这张黑洞的照片，终于发布出来了！

在这张照片的背后，有一个很强的团队，由全世界200多名科学家组成。其中，来自中国内地的科学家有16位，他们在参与EHT合作之前，已经在黑洞的高分辨率成像和理论分析工作中有了诸多积累。

从前期的国际合作的推动，到望远镜使用时间的申请、去4000米海拔的望远镜场地进行现场观测，再到数据的相关处理、分析及后期论文的写作，全程都有中国科学家的身影。

（原载于《解放日报》 2020-10-30 18版）

【052、人类首次“看见”的那个黑洞有“指纹”了】

2021年04月15日新浪科技

人类首次“看见”的那个黑洞+多波段“指纹”被成功捕获。

上海4月14日消息，来自全球32个国家和地区、近200个科研机构的760名科学家和工程师组成的团队，使用19台望远镜阵同步观测，成功捕获到人类首次“看见”的那个黑洞的多波段“指纹”，观测数据14日在全球公布。

人类首次“看见”的那个黑洞，位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。黑洞的中心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。2019年4月10日，科学家首次发布的这个黑洞照片，是通过事件视界望远镜（EHT）于2017年4月对M87星系中央超大质量黑洞的观测而获得的。

科学家利用事件视界望远镜（EHT）对这个黑洞进行观测的同时，还协调了全球19台望远镜阵对这个黑洞及其喷流，开展了迄今频率覆盖最广的多波段同步观测，成功收集到2017年3月底至5月中旬的观测数据。

作为东亚地区灵敏度最高的长毫米波射电望远镜，中科院上海天文台65米口径的天马望远镜也参加了全球2个望远镜阵、3个波段的同步观测，天马望远镜团队成功研发了相关观测设备，并进行了后续数据分析。

“这些多波段的观测数据，就好比黑洞的多波段‘指纹’。”上海天文台台长、研究员沈志强介绍说，“人类首次看见的那个黑洞，喷流的辐射覆盖从无线电波、到可见光、再到伽马射线的整个电磁波谱。对每个黑洞而言，其在各电磁波段的辐射特征各不相同。通过收集这些辐射的‘指纹’，可以加深人们对黑洞及其喷流的了解。”

19个望远镜阵多波段的观测数据与事件视界望远镜（EHT）观测相结合，可以让科学家对天体物理学一些最重要、最具挑战性的研究领域进行深入分析。例如，进一步检验并改进爱因斯坦广义相对论、深入研究“宇宙线”起源等科学问题。

面对浩瀚宇宙，科学探索无穷无尽。目前，全球科学家正在对人类首次看见的那个黑洞、银河系中心超大质量黑洞以及另外若干遥远的黑洞，再一次通过事件视界望远镜（EHT）和其他望远镜阵进行更广泛的联合观测。在这新一轮观测中，上海天马望远镜也参与其中。

053、如果银河系中心存在虫洞，如何检测到它？

2020年04月29日 Charlotte Hsu 环球科学

科学家表示如果人马座A*确实存在虫洞，那么其附近的恒星就会被通道另一端的恒星的引力所影响。

撰文：Charlotte Hsu，翻译：任雨涵，审校：戴晨

虫洞可以将宇宙中的一个区域与另一个处于不同时间和/或空间的区域，或者将两个完全不同的宇宙连接起来。虽然关于虫洞是否存在还存在一些争议，但在一篇发表于Physical Review D的论文中，物理学家提出了一项能探测虫洞的技术。

该研究主要聚焦于在人马座A*（Sagittarius A*）附近发现虫洞。人马座A*被认为是银河系中心的一个超大质量的黑洞。虽然没有证据表明那里存在虫洞，但由于虫洞的形成需要极端的引力条件，比如在超大质量黑洞附近，因此那里或是寻找虫洞较为理想的地方。

在这一论文中，科学家表示如果人马座A*确实存在虫洞，那么其附近的恒星就会被通道另一端的恒星的引力所影响。因此，通过搜索人马座A*附近恒星相对于预期轨道的微小偏差，或可以用来探测虫洞的存在。

“如果有两颗恒星分别位于虫洞的两边，由于引力流能通过虫洞，在我们这一侧的恒星将能感觉到另一边恒星引力的影响。”纽约州立大学布法罗分校文理学院的物理学教授、宇宙学家Dejan Stojkovic说道，“所以如果你绘制人马座A*附近恒星的预期轨道，假如那里存在虫洞且虫洞的另一边有其他恒星，那你应该能观察到恒星的运动轨迹与预期轨道存在偏差。”

Stojkovic指出即使我们发现了虫洞，它们也会不像科幻小说设想的那样。“即使虫洞是可穿越的，但人和飞船极有可能无法通过虫洞，”他说，“实际上，需要一股负能量（低于真空零点能的能量）来保持虫洞开放，但我们并不知道怎样才能做到。”

然而，无论是否可以穿越，虫洞都是值得研究的有趣的理论现象。尽管没有实验证据表明这些通道存在，但在理论上它们是可能存在的。正如Stojkovic解释的那样，“在爱因斯坦方程式中，虫洞是一个合理的解。”

这一发表在Physical Review D上的研究，主要聚焦于科学家如何通过寻找恒星S2（围绕人马座A*运动的恒星）运行路径上的一些扰动，来搜索虫洞。尽管当前的监测技术，还不够精确到揭示虫洞的存在。Stojkovic说长期搜集恒星S2的数据或开发技术去更精确地追踪它的运动轨迹，或有可能发现虫洞。他表示，这些技术进步离我们并不遥远，在10-20年内就有可能实现。

然而，Stojkovic告诫道，尽管新方法可以用来探测虫洞（如果它真的在那儿），但这并不能严格证明虫洞是存在的。“当我们达到观测中要求的精度时，如果探测到恒星S2的运行轨道出现一些扰动，我们或许能说存在虫洞是最可能的解释，”他说，“但我们不能说，‘这一定是虫洞。’因为，还可能存在其他解释，比如有其他事物扰动了恒星的运动。”

Stojkovic说道，尽管该论文主要关注可穿越的虫洞，但其中包含的技术能揭示可穿越或不可穿越的虫洞。他解释说，由于引力的本质是时空的扭曲，无论物体是否能通过虫洞，虫洞两侧都能感受到引力的影响。

原文链接：https://phys.org/news/2019-10-wormhole.html

【054、斯皮策太空望远镜发现宇宙最原始黑洞】

2010年03月19日腾讯科技

[导读]斯皮策太空望远镜发现迄今为止最早和最原始的两个超大质量黑洞。此研究结果已经发表在本周的《自然》杂志上。

据国外媒体报道，斯皮策太空望远镜发现迄今为止最早和最原始的两个超大质量黑洞。此研究结果已经发表在本周的《自然》杂志上。文章第一作者，亚利桑那州图森大学江林华（Linhua Jiang）说：“我们有可能已经发现宇宙中第一代类星体。”

由樊晓辉（ Xiaohui Fan)领导的研究小组利用斯皮策太空望远镜发现的两个最小的类星体，分别是J0005-0006 类星体和 J0303-0019类星体，距离地球130亿光年。美国宇航局的钱德拉X射线天文台也观测到了其中一个类星体发射出的X射线。当围绕在类星体周围的气体被吞噬时，类星体会发射出X射线、紫外线和可见光。

在2006到2009年间，研究小组成员江林华和同事开始观测J0005-0006类星体和 J0303-0019类星体。斯皮策测试了包括其它19个类星体在内的类星体发射的红外线。所有21个星体都是目前所知的非常遥远的类星体，其中心都有一个比太阳质量大1亿倍的超大质量黑洞。

斯皮策的数据表明，在21个类星体中， J0005-0006 类星体和J0303-0019类星体上没有尘埃。樊说：“我们认为这两个黑洞形成的时间大致在宇宙大爆炸后的10亿年之内，这是宇宙中尘埃刚刚形成时期。”

研究人员观测到类星体中尘埃的数量和黑洞质量一起都在增加。研究人员发现J0005-0006类星体和J0303-0019类星体中心黑洞的质量最小，表明这两个类星体还非常年轻，在这一时期，它们周围还没有尘埃产生。

【055、所有恒星都逃不出三个宿命：白矮星、中子星、黑洞】

三体引力波

2017年6月1日，NASA发射人类首个中子星探测器，那么到底什么是中子星？研究它到底有什么重大意义呢？

从头说起，大家知道，所有恒星最终都逃不出三种结局：白矮星、中子星、黑洞。

▲人类发现的第一颗白矮星——天狼B星，质量跟太阳差不多，直径只有地球的两倍。

先来看看白矮星，因为最先发现它时，大多呈现暗淡的白色，个头也比较小（当然是跟我们最熟悉的太阳比），因此得名。对于中低质量的恒星来说，亿万年的演化走到白矮星这一步，算是走到了尽头，不再有什么变化。可它又是怎么来的呢？

拿我们身边最熟悉的太阳来说，50亿年后，热核聚变结束时，烧尽氢燃料膨胀成一颗红巨星，体积巨大到都能够吞噬掉地球，更别说水星、金星、月球了。因为虚胖，密度极低，几近真空，并不耽误这些行星运转，但高温却能毁灭所有生命，能够把地球彻底烤焦。

这时候的红巨星，核心温度无法持续升高了，聚变出来的碳、氧，只好堆积在核心区，越积越多，越积越紧密。当密度达到每立方厘米10吨的时候，天文学家就认为，太阳内部有了一颗白矮星。整个太阳就这么逐渐冷却，黯淡下去，外壳那些膨胀到了极限的稀薄星尘，慢慢散开，形成一个巨大无比、色彩斑斓的行星状星云，核心剩下的这颗白矮星，最终冷却成了一个实心疙瘩——黑矮星，就等着宇宙尽头了。要知道我们银河系90%以上的恒星（当然包括太阳），有朝一日都会变成白矮星。所以呢，不必叹息。

说完白矮星，再说说本期主角——中子星。

中子星，是更大质量恒星的最终结局。为什么叫它中子星呢？刚才说了，红巨星核心密度达到每立方厘米10吨的时候，被称为白矮星，这种密度虽然已经相当吓人了，但还属于正常物质结构的最大密度范畴，微观尺度下，电子还是电子，原子核还是原子核。

但在中子星体内就大不相同了，压力山大已经到了彻底突破正常世界的底线啦！不仅原子的外壳被压破了，而且连原子核都能被压破，质子和中子都被挤出来，质子碰到电子，又结合成中子。就这样，把整个星体变成了只有中子的独立王国。

▲著名的「上帝之手」，编号PSR B1509-58，典型一颗脉冲星，属于高速自转的中子星。具体可戳：这是上帝之手or魔鬼之手？

中子星的密度到底有多大？每立方厘米高达10亿吨！这是何等概念？相当于把整个珠穆朗玛峰压缩成一块方糖那么小！所以说，人类要是能搞清楚中子星的内部结构，科学是不是就能挺进一大步？！问题来了，到底哪个能有如此蛮力，搞成这么大密度的中子星？刚才说了白矮星的成因，热核聚变把氢氦燃料都烧完了，因为质量不够大，碳、氧只好堆积如山，慢慢冷却成白矮星。但是要知道中子星的前身——红超巨星，可比红巨星质量大多了。因为质量巨大形成了强大引力坍缩，氢氦烧完了，氧开始燃烧，就连硅都坚持不住开始核聚变了，直到出现了铁元素，56个质子和中子结合得极端紧密，不会再聚变下去了。终有一天，核心区的铁元素堆积如山，产生极强引力，使得外层物质极速坠落，落到铁核上，形成极端高温，引发核聚变，生成更重的元素。

▲在超新星爆发之前，大质量恒星的核心结构是有如洋葱般的层层排列……我们不妨插上想象的翅膀，一个超级球体各个地方同时发生核聚变，爆发威力该有多大？场面何等壮观！这么一炸不要紧，瞬间就把自己整个球体炸飞了——这就是灿烂闪耀全宇宙的超新星爆发！只留下一点内部核心——如果前身恒星质量是8～20倍太阳质量，这就是中子星；如果前身是20～50倍太阳质量，爆炸后就坍缩成了黑洞。

▲这就是恒星—白矮星—中子星—黑洞之间的演化关系。

有人问了，所有恒星最终都逃不出三种结局：白矮星、中子星、黑洞，那么白矮星、中子星、黑洞的质量都有多大呢？

美籍物理学家钱德拉塞卡，通过广义相对论场方程算出了白矮星质量极限值——钱德拉塞卡极限，≦1.44倍太阳质量。

被誉为原子弹之父的奥本海默，算出了中子星质量极限值——奥本海默极限，1.5～3倍太阳质量。

德国天文学家、物理学家史瓦西，最早建立了黑洞模型，算出了大于3倍太阳质量的黑洞质量底限。

钱德拉塞卡极限的意思是白矮星的质量不好超过1.44的太阳。但形成白矮星的恒星会大于这个质量，它爆炸后剩余的部分小于1.44的太阳就成了白矮星。如果白矮星继续吸收物质，长大，大过1.44太阳后，就是1a超新星爆发，炸光了。基本就是说，恒星质量8倍太阳以下的，就是白矮星结局。20倍太阳以上的，大概就是黑洞。中间部分才是中子星。作者没说黑矮星啊，或者是褐矮星。小质量的恒星，慢慢烧，慢慢烧，最后变成氦，没能力继续聚变，慢慢冷却了。

【056、超大质量黑洞“剥离”恒星气体促使星系死亡】

2010年04月20日腾讯科技编译

[导读]目前，科学家发现超大质量黑洞具有可怕的力量，它所环绕的吸积盘可以剥离超大质量星系中孕育恒星的气体，最终导致超大质量星系死亡。

据美国科学日报报道，黑洞长期以来是科幻小说作家笔下的发挥主题，黑洞具有很强的破坏能力，可以扭曲时空。目前，英国诺丁汉大学研究人员一项研究显示，超大质量黑洞具有可怕的力量，它所环绕的吸积盘可以剥离超大质量星系中孕育恒星的气体，最终导致超大质量星系死亡。

超大质量黑洞“剥离”恒星气体促使星系死亡

最新研究显示，超大质量黑洞具有可怕的力量，它所环绕的吸积盘可以剥离超大质量星系中孕育恒星的气体，最终导致超大质量星系死亡。

这项研究是由诺丁汉大学天文物理学院的阿萨－布鲁克(Asa Bluck)负责的，他使用哈勃望远镜和“钱德拉”X射线天文台的观测数据揭示了遥远星系中黑洞的最详尽信息。研究人员发现星系喷射较高等级的放射线和X射线，这是黑洞通过引力作用增长吸收宇宙物质，吞噬气体和灰尘的典型迹象。

当这些宇宙物质盘旋在黑洞边界时将被吸积盘(accretion disc)的放射性能量加热。在超大质量黑洞中，放射性能量占据很高的比例，可以喷射大量的X射线，然后与星系中剩余的物质结合在一起，这意味着黑洞“发光度”要比星系心脏区域更明亮。事实上，这种黑洞释放的大量能量足够完全剥离星系中的气体25次以上。

研究结果还显示宇宙中多数X射线喷射都源自环绕超大质量黑洞的吸积盘，只有少部分是来自星系、中子星等。

环绕超大质量黑洞周围的吸积盘所产生的能量足以加热位于超大质量星系心脏区域的寒冷气体。吸积盘可以照射所有不同波长的光线，从射电波至伽马射线波。它们加速了气体的无规则运动，使气体的温度升高，将它们从星系中心排斥出来，从而星系中心密度逐渐降低。

气体需要达到一定的低温和高密度，在重力作用下崩溃才能形成新的恒星，因此炽热、低密度气体必须足够降低温度，才能具备孕育新恒星的条件。这一降温过程需要漫长的时间才能实现。

在这种情况下，星系内较老的恒星陆续步入死亡阶段，而没有新的恒星进行替换，使星系逐渐变得黑暗，慢慢朝向死亡迈进。同时，通过排斥气体远离星系中心，吸积盘使超大质量处于饥饿状态，没有新的宇宙物质充饥，使黑洞加速死亡的进程。

布鲁克说：“这项研究观点认为，黑洞在宿主星系内形成，并与星系成比例地生长，期间逐渐形成的吸积盘却最终摧毁宿主星系，它的作用就像是自然界的病毒。”

据悉，超大质量星系在宇宙可观测范围内数量不多，在星系中其存在概率为千分之一，或许它们的实际数量更少。其中三分之一数量的超大质量星系中心区域都存在着超大质量黑洞。

目前，这项研究报告发表在4月16日格拉斯哥市召开的英国皇家天文学会国家天文会议上。

【057、天文学首见证黑洞1分钟吞噬中子星】

2021-07-01 东网

天文学界近日宣布，去年1月探测到黑洞碰撞并吞噬中子星的重力波，全过程不足1分钟，是人类史上首次见证这种天文现象的发生。专家指其中一次碰撞其实发生距离地球约10亿光年。论文周二（6月29日）刊登于《天文物理期刊》。

由于黑洞和中子星都是庞大天体，碰撞时会产生独特涟漪，即重力波。宇宙重力波有3大主要来源，分别是两个黑洞合并、两个中子星合并以及黑洞吞噬中子星。前两种现象在过去5年里已发现数十次，唯独第3种始终没有探测到。

直到去年初，美国华盛顿州和路易斯安那州以及意大利中部的处女座探测器，都分别探测到这种现象，且还在10天内发生了两次。首次是一个太阳质量6倍的黑洞，撞上太阳质量1.5倍的中子星；第2次则是太阳质量10倍的黑洞，撞上一个太阳质量2倍的中子星。两次相撞分别在去年1月5日和15日探测到。

该研究有来自18个国家的1300多名科学家参与。论文作者之一、美国威斯康星州大学天体物理学家布雷迪（Patrick Brady）表示，整个吞噬过程庞大而迅速，黑洞获得一顿美味的中子星晚餐，让自身质量又稍有增加。

网民哀嚎：

achedan 今天 12:45

都是模拟的。谁也不可能看见。

【058、挑战爱因斯坦，霍金：掉到黑洞能逃得出来】

地球图辑队 2015年08月30日

过去，不少人认为一旦掉进黑洞就出不来，不过，闻名全球的物理学家霍金要大家别放弃，就算掉进黑洞还是逃得出来。

挑战爱因斯坦相对论

BBC、CNN、《半岛电台》综合报导，全球知名的物理学家史蒂芬霍金（Stephen Hawking）针对长年困扰学界的黑洞资讯悖论（Black hole information paradox）提出新解，他指出黑洞有出口，就算掉进去也出得来。

24日晚间，霍金博士参加了瑞典皇家理工学院在首都斯德哥尔摩举办的会议。在会议上，霍金博士发表了他对是不是任何东西都会被黑洞吞噬的看法。他说黑洞无法吞噬和消灭物理讯息，这和爱因斯坦（Albert Einstein）相对论中提出的观点恰恰相反。

困扰学界四十多年

爱因斯坦的相对论假设粒子讯息通过黑洞后就会被消灭。但是，和相对论一样重要的量子力学理论却指出，讯息在黑洞里不会消失，因为来自宇宙的讯息永远不可能消失，而这两大重要理论产生的矛盾被称为「黑洞资讯悖论」。

会议发出的声明稿中提到：「从 1970 年代以来，想要结合相对论和量子力学理论的努力导致数学上的混乱，从此被称为『黑洞资讯悖论』。」

掉到黑洞别放弃

有巨大引力的黑洞连光都逃不了，不过，霍金表示掉到黑洞也不要惊慌：「如果你掉到黑洞里，不要放弃，有办法出得来。」

「这场演讲要传达的讯息就是，黑洞并没有那么黑，黑洞不像过去被认为是个永恒的监牢。东西可以从黑洞里逃出来，有可能还可以跑到另一个宇宙。」

通往另个宇宙没有回头路

霍金提到黑洞有出口，不过这个出口可能会通往另一个宇宙。霍金说：「黑洞必须很大，而且如果它在旋转就有可能通往另一个宇宙。但是，你会无法回到我们的宇宙。」

「所以尽管我对太空旅行很有兴趣，但我可不会试。」

讯息不在黑洞内

此外，霍金和他的同事，来自哈佛大学的史特隆博格（Andrew Stromberg）教授也共同提出，讯息在黑洞内是以全息影像（Hologram，注 1）的方式被储存的。

「讯息不像大家想的那样储存在黑洞内部，而是被存在黑洞的边界，也就是所谓的事件视界（event horizon，注 2）。」

注 1：全息影像（Hologram）是全像摄影拍出来的影像，根据《维基百科》，全像摄影是一种记录被摄物体反射光波中全部讯息（振幅、相位）的照相技术，而物体反射或者透射的光线可以通过记录胶片完全重建，仿佛物体就在那里一样。通过不同的方位和角度观察照片，可以看到被摄物体的不同角度，因此记录所得到的影像可以使人产生立体视觉。

注 2：根据《维基百科》，事件视界（event horizon）是一种时空的曲隔界线。视界中任何的事件皆无法对视界外的观察者产生影响。在黑洞周围的便是事件视界。在非常巨大的重力影响下，黑洞附近的逃逸速度大于光速，使得任何光线皆不可能从事件视界内部逃脱。

爱因斯坦错了吗？

英国南安普敦大学理论物理学家泰勒（Marika Taylor）在接受 BBC 访问时，再次提到爱因斯坦的理论，她说：「爱因斯坦的理论指出，讯息会卡在黑洞里，掉在事件视界的背后。」

「全息摄影似乎指出爱因斯坦对黑洞的想象错了，尤其是现在还不清楚黑洞究竟有没有『里面』。被卡在黑洞里面的东西有可能是卡在事件视界，然后以全息影像的样子在那边徘徊。」

不过，泰勒补充到目前各界都还没有定论。

Hawking: Black holes store information

Stephen Hawking’s fantastic vision of black holes may solve 40-year paradox

Hawking: There may be a way out of black holes

（本文由地球图辑队授权转载；首图来源：达志影像）

【059、新生黑洞或是产生伽马射线爆炸的“主谋”】

2010年11月11日腾讯科技

据国外媒体报道，科学家对伽马射线爆炸引发原因的研究又前进了一步。众所周知，伽马射线爆炸是全宇宙力量最大的爆炸，同时爆炸闪现的速度也十分快，但科学家们始终没有研究出伽马射线爆炸的本质。然而据科学家们最近研究推测，新生“婴儿”黑洞也许是形成伽马射线的背后“主谋”。

新生黑洞或是产生伽马射线爆炸的“主谋”

据了解，当一颗巨大行星的内部燃料被消耗光时，行星为了维持中心核内部的融合反映，就会在重力的作用下崩溃。但一旦行星中心内部核中的融合反映停止时，外界辐射压力会相对减小，同时行星在来自它自身重力的作用下就会产生灾难性的内爆。在内爆过程中，会有一阵冲击波穿透行星的中心核，这时就会产生一颗超新星。经研究，由最大的行星内爆产生的高能量超行星，会产生出大体积，有磁性的“主宰”中子星（即磁星）或者是一个黑洞。科学家认为这也就说明 “主宰”中子星或许同样是伽马射线爆炸的主要因素。

据悉，磁星和黑洞引发伽马射线爆炸的过程大致相同，即首先在本身强大磁力的作用下将周围环境中的物质搅进自己体内，随之会从从两极喷发出强烈的等离子体喷气。但相比之下，黑洞产生的伽马射线爆炸要比磁星产生的力量要大。据科学家们最后研究表示，如果磁星引发伽马射线爆炸的话，就意味着磁星所散发出的所有超大能量都要被有效运用，这相对来说是不现实的。所以新生黑洞或许才是产生伽马射线爆炸的真正“主谋”。

【060、银河系外围发现恒星带如漂在暗物质海洋上】

2021年4月21日《自然》（Nature）期刊

科学家从最新绘制的星空图发现银河系外围有一条由少量恒星组成的恒星带，犹如“漂浮在暗物质海洋上”。这份新研究认为这条恒星带的发现，是证明一个暗物质模型的好证据。这个暗物质模型提出，银河系应该是被一团巨大的暗物质包围着。

NASA绘制的最新星空图。其中可以看到银河系（Milky Way），大麦哲伦星系（LMC）及其运动过程中在太空中留下的“尾流”。

这条小恒星带位于银河系的外围名为银河系光晕的区域，尾随着大麦哲伦星系（LMC）绕行银河系。大麦哲伦星系是一个矮星系，在距离地球大约13万光年的地方绕着银河系旋转。研究人员把这个小恒星带形容是麦哲伦星系在运动过程中在太空中留下的“尾流”。

第一眼看去，这道尾流仅是由恒星组成，但是这份新研究认为，它是悬浮在一团更大的、完全不可见的物质之中一起运动着。

科学家认为这种不可见的物质就是暗物质。暗物质是科学家假设宇宙中存在的一种物质，而且认为它们在宇宙中的含量比可见物质更多。理论预测暗物质不与光发生互动，只与物质通过引力发生互动，从而把星系内的物质拉拢在一起。在星系旋转的过程中，里面的恒星或行星才不会飞离星系。然而，究竟暗物质由什么物质构成，又有怎样的特性，这都是天文学上的未知数。

“我们认为这道尾流是由暗物质构成的，它拖着恒星运动着。”研究员之一美国亚利桑那大学的卡玛戈（NicolásGaravito-Camargo）说。

主要研究者哈佛大学天文学教授康罗伊（Charlie Conroy）解释说，这道恒星尾流就像浮在池塘水面上的几片树叶。这里的池塘就是暗物质，留下尾流的船就是麦哲伦星系。“想像一下，这艘船在水面上还是蜂蜜上行驶，所留下的尾流有着不同的特点。尾流的特点取决于暗物质的特性（由此我们可以推测暗物质的特性，选出一个比较合理的暗物质模型）。”

目前关于暗物质有很多不同的理论模型，由不同的研究组提出，所假设的暗物质特性各有不同，就好比有的模型假设的暗物质特性像水一样，有的则认为它们像蜂蜜一样。

研究组使用他们新绘制的星空图和这道尾流的位置，证实了其中一个暗物质理论模型的假设。如果这个模型的确成立，那么我们的银河系就是被一团巨大的暗物质海洋包围着。研究人员正继续进行模拟和检测，进一步探索哪种暗物质理论所假定的暗物质特性，最适合这道尾流的形状和位置。

研究组所用的这份星空图，由来自美国宇航局（NASA）和欧洲太空局（ESA）多个望远镜提供的数据绘制而成。从这张图上研究人员还发现，按照麦哲伦星系目前运行轨迹的变化趋势，大约在20亿年后将会并入银河系。

星系的合并在宇宙中很常见，很多较大的星系都是通过合并扩展了它们的规模。科学家认为银河系很可能在80亿年前就和一个小星系合并过。

【061、宇宙“黑洞反作用”将影响星系的演变】

2010年03月11日腾讯科技编译

[导读]科学家认为，位于星系中心的超大质量黑洞通过称为“黑洞反作用”的机制，影响星系的演变过程。

据国外媒体报道，天文学家通过哈勃太空望远镜以及和超大阵列（VLA）无线电波望远镜，发现距离地球5千万光年的NGC 1068星系超大质量黑洞不断向太空喷射炙热的气体。科学家认为，位于星系中心的超大质量黑洞通过称为“黑洞反作用”的机制，影响星系的演变过程。

从合成图像中，可以看到高速运动的炙热云产生的明亮X射线，如同滚滚火焰。它很大程度上表明了NGC 1068星系中心黑洞不断向太空喷射炙热的气体的情况。

NGC 1068星系中心的黑洞非常庞大，是银河系中心超大质量黑洞的2倍。NGC 1068超大质量黑洞异常活跃，可以说是我们已知的最活跃的黑洞之一。它不断吞噬大量的NGC 1068星系质量，然后以时速100万英里往外喷射炙热气体。NGC 1068星系中心庞大的黑洞是星系的破坏者，它将NGC 1068星系中心撕扯成碎片。

科学家认为，这个庞大的黑洞通过一个称为“黑洞反作用”的机制，影响NGC 1068星系的演变。被撕裂的星系质量中，有一部分并没有落入黑洞的“口”中，而是在爆炸后，高速远离黑洞。天文学家通过钱德拉和哈勃太空望远镜以及甚大阵列（VLA）的无线电波望远镜看到，大量超热质量被弃置到距离黑洞3000光年远的地方。这看起来就好像是一个超高速的传输带，即星系质量不断被牵引到黑洞的吸积盘，遭到撕裂破坏后，反过来向星系发射炙热的气体。

【062、宇宙早期本不该出现超大质量黑洞，除非……2021-02-13 王昱NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva】

类星体（quasar）是早期宇宙中最耀眼的天体，现在一般认为，它耀眼的光芒是由于活动星系核（active galacticnucleus，AGN）中的超大质量黑洞（supermassive blackhole，SMBH）吸积造成的，也正是其极高的亮度让我们能看到极远的类星体。近日，亚利桑那大学领导的一个天文团队就进一步打破了类星体距离的记录。而且在最远类星体的背后，这个诞生于大爆炸后6.7亿年的超大质量黑洞，还向当前的黑洞形成理论发起了挑战。

黑洞除了能吸收光线，还能吸引天文学家好奇的目光，它一直是天文领域的明星。一般认为，当恒星质量大于20个太阳质量时，会在演化末期发生超新星爆炸，而爆炸残余物就是一个黑洞，这样形成的黑洞不过5个太阳质量左右。想要得到星系中心的超大质量黑洞，最流行的假设是将这些黑洞视作“种子”，通过吸积物质、与其他黑洞合并不断成长。而近期发现的最远类星体，则在这种理论之外，验证了一种全新的黑洞形成理论。

遥远的类星体

现在我们都知道宇宙正在加速膨胀，离我们更遥远的天体会以更快的速度远离我们，它们发出的光也会由于多普勒效应而产生红移。而对于宇宙早期的天体，其红移z也能用于表示星系的距离——红移越高，对应的距离也就越远。迄今为止，只有三个类星体的红移z超过了7.5，全都是同一个团队发现的，其中新发现的J0313-1806就是本次的主角。

J0313-1806的红移达到了7.642，也就是离地球130.3亿光年远。我们今天看到的它发出的光，是在宇宙大爆炸后6.7亿年时发出的。它是目前人类发现的最遥远的类星体，比先前的纪录保持者远了2000万光年。

“类星体”这个名字来源于准恒星状电波源（quasi-stellar radiosource）的缩写，20世纪50年代发现这种天体时，它们是可见光照片中类似恒星状态的微弱光点，被认定为未知的电波发射源。它们的亮度非常夸张，是银河系这样普通星系的数千倍。但是其发出的光变化非常迅速，由光速有限推断类星体的尺度不会超过太阳系。也就是说，数千倍于整个银河系的能量集中在太阳系大小的范围内，对此天文学家自然提出了多种假说，其中最广为接受的学说是：类星体是活动星系核中超大质量黑洞吸积造成的。

我们之所以能观测到这么遥远的类星体，重要的原因就是它拥有极高的亮度。J0313-1806的光度大约是1.4×1040W，相当于36万亿个太阳。据推测，其中心有一个16亿倍太阳质量的黑洞，大约是银河系中心黑洞人马座A*的400倍。这个超大质量黑洞平均每年吸入25个太阳质量的物质，剧烈的吸积除了让它能向其所在星系内吹出相对论性速度的炙热等离子风暴之外，也是它如此明亮的原因之一。

不过，也正是由于在遥远距离对应的宇宙早期发现了质量如此大的黑洞，暗示这个黑洞可能并不是按照传统的黑洞形成模型诞生的。

黑洞谜题

其实，对于超大质量黑洞是如何产生的，天文学家并没有确定的结论。如果是按照最流行的小黑洞吸积、合成成为大黑洞的方式，其实存在很多问题亟待解决。其中两个比较显著的问题就是中等质量黑洞问题和宇宙引力波背景问题。

目前已经确定质量的黑洞大多分为两类，一种是不到100倍太阳质量的恒星级黑洞，一种则是超过100万倍太阳质量的超大质量黑洞。而在100倍到100万倍中间，存在着一个巨大的缺口。如果超大质量黑洞是通过恒星级黑洞合并形成的，那我们就不可能找不到中等质量黑洞。不过幸运的是，LIGO在去年公布了他们在2019年首次发现的中等质量黑洞，这是由两个质量分别为85倍和66倍太阳质量的黑洞合并形成的142倍太阳质量的黑洞。随着LIGO的精度一步步提高，研究人员说不定能发现越来越多的中等质量黑洞，这个问题或许可以得到解决。

另一个问题是宇宙的引力波背景问题。如果超大质量黑洞是通过小黑洞一步步合并而来的，那么宇宙中必然充满了黑洞合并产生的引力波，其中也可能会有两个超大质量黑洞合并产生的引力波。许多引力波叠加成宇宙尺度的随机引力波背景，会对时空产生1年量级的周期性影响，通过对脉冲星进行精确周期测量可以检测出这种影响。脉冲星计时阵列十几年来鲜有进展，直到近期，北美纳赫兹引力波天文台（NorthAmerican Nanohertz Observatory for GravitationalWaves，NANOGrav）在《天体物理学杂志快报》上发表论文，表明他们可能发现了1年量级的引力波背景。如果最终证实他们的数据不是由于误差引起的话，那么的确可能找到了来自超大质量黑洞合并的证据。

“大鱼吃小鱼”这种超大质量黑洞形成理论虽然并没有获得决定性的证据，但至少看上去可能刚刚有所进展。并且由于精度问题，引力波的探测范围也不可能覆盖到宇宙早期的原初种子黑洞。就算这些进展都非常可靠，对于宇宙早期超大质量黑洞的形成，它们都是无能为力的。但J0313-1806却斩钉截铁地告诉我们，它所包含的黑洞源于不同的过程，而不可能是从小黑洞一步一步合并而来的。

直接形成的黑洞

亚利桑那大学哈勃学者、该研究论文的主要作者王飞格指出：“由第一代大质量恒星形成的黑洞，不可能在几亿年内长到如此大的质量。”

从小质量成长为大质量黑洞是一个非常缓慢的过程，根据他们的计算，就算这个黑洞早在宇宙大爆炸后1亿年就已经形成，那么它至少也需要一个拥有1万个太阳质量的种子黑洞。但是对于极早期的宇宙来说，第一代恒星产生的黑洞质量最大也不会超过几百个太阳质量，所以这个超大质量黑洞不可能是由小质量的种子黑洞长成的。

论文合著者，亚利桑那大学天文系副主任樊晓晖教授表示：“这告诉你无论怎样，这个黑洞的‘种子’必须以不同的机制形成。对于此次的黑洞，需要大量原初的、冷的氢分子气体直接塌缩成一个种子黑洞。”

这是一种于2006年提出的黑洞形成理论。暗物质晕中在宇宙大爆炸核合成时期就形成的原初气体，在引力自束缚的条件下，由于失控的全局动力学不稳定性，快速失去角动量向中心坍塌。压缩导致的高压环境的确会点燃其中的核聚变，但整个系统质量太过庞大，中心温度过高，其散热机制和恒星形成时存在巨大差异。中微子辐射在这一阶段散热非常有效，快速冷却核心，从而导致中心黑洞的形成和快速生长。这种机制不需要以第一代恒星为原料，是唯一一种允许类星体J0313-1806中的黑洞在宇宙早期成长到16亿倍太阳质量的机制。

虽然直接由原初气体塌缩形成的黑洞和流行的说法并不一致，但王飞格也没有完全否定这种“大鱼吃小鱼”的方式，只是给出了另一种黑洞形成机制的可能。“对于我们近邻宇宙中的超大质量黑洞（比如银河系中心的黑洞），我相信很多是由小质量的黑洞逐渐合并形成的，”王飞格这样表示，“当然我们目前还缺少直接的观测证据。”

除了研究黑洞本身的形成机制外，最远类星体也是研究黑洞如何影响其宿主星系的好机会。类星体会在其宿主星系中产生高速星风，而J0313-1806的星风速度甚至高达20%光速。亚利桑那大学的博士后研究员（Strittmatter学者）杨锦怡说：“如此极端高速的外向流释放的能量足以影响整个类星体宿主星系。”理论认为类星体的外向流会抑制其宿主星系中的恒星形成，而该类星体宿主星系中的恒星形成率仍然很高，高达每年200个太阳质量，而银河系大约只有1个。这其中的缘由值得进一步探索。

可以肯定的是，未来的观测还能为我们揭开更多关于类星体的秘密，特别是计划于今年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JamesWebb SpaceTelescope）。天文学家也希望未来能对宇宙早期的超大质量黑洞进行更深入的研究，了解更多类星体外向流对其宿主星系的影响，并进一步探索早期宇宙中的大质量星系是如何形成的。

063、宇宙中可能存在“巨大黑洞”，比星系中央的“超大质量黑洞”还大

2021-01-26 科技日报刘霞

计算机模拟的一个位于星系中央的“超大质量黑洞”。

据物理学家组织网20日报道，英国科学家的一项新研究表明，宇宙中可能存在一种“巨大黑洞”（stupendously large black holes），比位于星系中央的“超大质量黑洞”（SMBHs）还要大。如能证实，将为研究人员提供一个强大的宇宙学研究工具，加深人们对暗物质以及早期宇宙的理解。

现有观点普遍认为，超大质量黑洞在宿主星系内形成，通过吞食周围恒星和气体，或与其他黑洞合并而不断长大。它们的质量介于太阳质量的100万到100多亿倍之间。

但在新研究中，伦敦玛丽女王大学物理和天文学学院名誉教授伯纳德·卡尔领导的团队提出，“超大质量黑洞”可能存在另一种形成方式，使其能规避这一质量上限的限制。他们认为这些“巨大黑洞”可能是“原初黑洞”，形成于宇宙早期，远早于星系形成之前。

这种“原初黑洞”不是由坍缩的恒星形成，因此，它们的质量范围很广，可以非常小，也可以非常大。卡尔说：“我们已经知道存在着各种质量的黑洞，比如银河系中央有一个400万倍太阳质量的小黑洞。虽然目前还没有证据表明‘巨大黑洞’的存在，但可以想象的是，它们可能存在，它们也可能栖居于星系外的星系空间。但到目前为止，科学界忽略了‘巨大黑洞’的存在。”

研究团队认为，“巨大黑洞”有助于更好地了解暗物质。上世纪70年代，卡尔和斯蒂芬·霍金提出，“原初”黑洞可能是暗物质的候选之一，在宇宙极早期，宇宙密度的波动可能导致宇宙的一些区域塌缩称黑洞。卡尔说：“‘巨大黑洞’本身无法提供暗物质，但如果它们真的存在，将对早期宇宙产生重要影响，并使‘体重’较轻的‘原初黑洞’形成暗物质成为可能。”

【064、原始黑洞是否可能是暗物质？】

2020年10月28日新浪科技

在整个宇宙中，原始黑洞可能会以不同的团块聚集，相对较大的黑洞被小得多的黑洞包围　在整个宇宙中，原始黑洞可能会以不同的团块聚集，相对较大的黑洞被小得多的黑洞包围。看不见的“原始”黑洞可能是隐藏的暗物质。这一理论已经失宠了几十年，但一系列新的研究显示，这一理论或许可以解释许多东西。

黑洞是一种优雅、简洁的天体，但在大众的想象中，它们有时会显得十分可怕。在许多方面，它们就像一个理想的黑体（能吸收全部外来电磁辐射，没有任何反射和透射的物体），使得我们很难估计宇宙中存在多少黑洞，以及它们的大小。因此，2015年9月，当激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的探测器第一次探测到引力波时，的的确确给物理学界带来了惊喜。在此之前，最大的恒星黑洞——大质量恒星引力坍缩后形成的黑洞——的质量大约是太阳的20倍；而这些新发现的黑洞都有大约30倍太阳质量，这并非不可思议，只是非常奇怪。此外，当LIGO启动并立即开始听到这类物体相互融合的信号时，天体物理学家就意识到，一定还有更多的黑洞潜伏在那里，也许远远超过他们的想象。

这些奇怪黑洞的发现给一个旧观点注入了新的活力，近年来，这种观点已经逐渐边缘化。我们知道，垂死的恒星可以产生黑洞，但黑洞或许也能在宇宙大爆炸中诞生。这些“原始”黑洞可能隐藏了起来，并构成了暗物质。毕竟，尽管经过了几十年的探索，研究者仍然没有探测到暗物质粒子。或许我们可以大胆地假设，如果黑洞一直就在我们的眼皮底下，情况又会如何？

美国约翰·霍普金斯大学的宇宙学家马克·卡米奥考斯基（Marc Kamionkowski）表示，这的确是一个疯狂的想法，但并不一定比其他观点更疯狂。事实上，探索这方面可能性的论文已经有很多。2016年，卡米奥库斯基所在的研究小组也发表了一篇令人瞩目的论文。

可惜的是，纽约大学天体物理学家亚辛·阿里-海蒙德（Yacine Ali-Haimoud）在2017年发表了一篇论文，对这种类型的黑洞将如何影响LIGO的探测率进行了检验，在此之后，暗物质与原始黑洞的关系开始受到质疑。阿里-海蒙德计算出，如果新生宇宙产生的黑洞足够多，能够解释暗物质，那么随着时间的推移，这些黑洞将形成双黑洞系统，彼此环绕并越来越近，其合并速度甚至比LIGO观测到的合并事件高数千倍。他呼吁其他研究人员使用其他方式，继续研究这个想法。但许多人失去了希望。卡米奥考斯基指出，阿里-海蒙德的论点是如此戳中要害，以至于他自己对这个假说的兴趣都被浇灭了。

我们所知的黑洞。2015年之前，所有恒星大小的黑洞都是由射电望远镜发现的。这些黑洞的质量似乎都局限在20倍太阳质量以下。LIGO目前已经观察到许多更大黑洞的合并事件。如果原始黑洞真的存在，那么其中许多应该就属于质量更大的范畴；余下黑洞的质量则应该小于太阳。我们所知的黑洞。2015年之前，所有恒星大小的黑洞都是由射电望远镜发现的。这些黑洞的质量似乎都局限在20倍太阳质量以下。LIGO目前已经观察到许多更大黑洞的合并事件。如果原始黑洞真的存在，那么其中许多应该就属于质量更大的范畴；余下黑洞的质量则应该小于太阳。

然而现在，随着最近一系列论文的发表，原始黑洞的观点似乎又复活了。不久前，法国蒙彼利埃大学的宇宙学家卡尔斯顿·让达齐克（Karsten Jedamzik）在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上发表了最新的研究报告，其中阐述了大量的原始黑洞会如何导致与LIGO观测结果完全吻合的碰撞。“如果他的结果是正确的——看起来他做的是相当仔细的计算——那就将给我们的计算画上休止符，”阿里-海蒙德说，“这将意味着它们实际上可能就是所有的暗物质。”他在后续的论文中也继续对原始黑洞的观点展开研究。

英国苏塞克斯大学的宇宙学家克里斯蒂安·伯恩斯（Christian Byrnes）表示，这一结果非常令人兴奋，“他比以前任何人都走得更远”。伯恩斯为让达齐克的一些论点提供了帮助。

这一论点的最初想法可以追溯到20世纪70年代斯蒂芬·霍金和伯纳德·卡尔（Bernard Carr）的工作。他们推断，在宇宙最初的几分之一秒内，密度的微小波动可能会赋予某些区域过多的质量。每一个这样的区域都会坍缩成黑洞，而黑洞的大小将由该区域的视界决定。所谓视界，便是以光速可到达的任何点周围的空间。视界内的任何物质都会感受到黑洞的引力并坠入黑洞。霍金的粗略计算表明，如果黑洞的大小超过较小的小行星，那么它们可能仍潜伏在今天的宇宙中。

20世纪90年代取得了更大的进展。那时，理论物理学家们还提出了宇宙暴胀理论，认为宇宙在大爆炸之后经历了一次极端膨胀。暴胀理论可以解释最初的密度涨落从何而来。在密度涨落的基础上，物理学家们还考虑了一个沿着坍缩方向进行的关键跃迁。

宇宙刚形成时，其所有的物质和能量都在难以想象的高温等离子体中沸腾。在最初的十万分之一秒左右之后，宇宙冷却了一些，等离子体中的松散夸克和胶子得以结合在一起，形成更重的粒子。当一些闪电般快速运动的粒子被束缚在一起时，压力也随之下降。这可能有助于更多的区域坍缩成黑洞。

但在20世纪90年代，没有人对夸克和胶子流体的物理学有足够的了解，因此无法准确预测这种转变将如何影响黑洞的产生。理论物理学家还说不清楚原始黑洞的质量应该有多大，或者其数量应该有多少。

此外，宇宙学家似乎并不是真的需要原始黑洞。巡天调查对天空的一小块区域进行了扫描，希望能找到大量像黑洞一样稠密的暗物体漂浮在银河系的外围，但并没有多少收获。相反，大多数宇宙学家开始相信，暗物质是由极端“不合群”的大质量弱相互作用粒子（WIMP）组成的。这是一种仍然停留在理论阶段的粒子，只通过弱核力和引力产生相互作用，基本上不与普通物质发生相互作用。专门建造的WIMP探测器，以及即将上线的大型强子对撞机或许将很快找到它们存在的确凿证据。希望如此吧。

暗物质的问题看似即将取得突破，而且没有观察结果表明有其他选项，于是，原始黑洞在学术上就成了一潭死水。“一位资深宇宙学家似乎在嘲笑我研究这个，”让达齐克说，“所以我停下了，因为我需要一个永久的职位。”他在这方面的研究兴趣可以追溯到20世纪90年代。

当然，科学家在那之后的几十年里没有发现WIMP，也没有发现任何新的粒子（除了很久之前就预测存在的希格斯玻色子）。暗物质谜题的解答仍然遥遥无期。

然而，关于可能产生原始黑洞的环境，我们现在知道得更多了。物理学家已经可以计算出宇宙诞生之初的夸克-胶子等离子体如何演化出压力和密度。伯恩斯表示，物理学界花了几十年时间才取得了这些成果。利用这些信息，伯恩斯和马德里自治大学的胡安加西亚-伯利多（Juan García-Bellido）等理论物理学家，在过去几年中发表了一系列论文，预测早期宇宙产生的黑洞可能不仅仅只有一种大小，而是有一系列不同的大小。

一开始，夸克和胶子结合在一起形成质子和中子。这导致了压力下降，并可能产生了一组原始的黑洞。随着宇宙持续冷却，π介子等粒子形成，造成另一次压力骤降和可能的黑洞爆炸。

在这两个时期之间，空间本身也在膨胀。最初的黑洞可以从自身周围的视界吸入大约相当于太阳质量的物质。第二轮则可能吸入大约30倍太阳质量的物质，就像LIGO第一次探测到的奇怪物体一样。“引力波拯救了我们，”加西亚-伯利多说道。

2016年，在LIGO团队宣布了探测到第一个引力波后的几周内，原始黑洞假说又复活了。但是第二年，阿里-海蒙德提出了他的观点，认为原始黑洞会过于频繁地碰撞，这给原始黑洞假说的支持者带来了巨大的挑战。

让达齐克接受了挑战。在哥斯达黎加的一次长假中，他对阿里-海蒙德的说法进行了仔细研究。阿里-海蒙德是通过方程进行分析的，但是当让达齐克对同样的问题进行数值模拟时，他发现了一个转折。

原始黑洞确实会形成双黑洞系统，但让达齐克的结论是，在一个充满黑洞的宇宙中，第三个黑洞通常会接近最初的一对黑洞，并与其中的一个黑洞交换位置。这一过程将一再重复。

随着时间的推移，这种从一对黑洞到另一对黑洞的变换会使双黑洞系统的轨道几乎变成圆形。这些成对黑洞的碰撞速度会非常慢。即使存在大量的原始黑洞，其合并也不会如此地频繁。这就使整个假设仍然符合LIGO观测到的合并率。

2020年6月，让达齐克在网上发表了自己的研究成果，回答了阿里-海蒙德等外界专家提出的问题。他说：“尽一切可能让学术界相信，你不是在胡言乱语，这是非常重要的。”

他还预测，原始黑洞将位于暗星团中，后者的直径大约相当于太阳和最近恒星之间的距离。每一个星团可能都包含了大约1000个挤在一起的黑洞。质量为30个太阳的巨型黑洞将位于中心；更普通的小一些的黑洞则填满剩下的空间。这些星系团会潜伏在天文学家认为暗物质存在的任何地方。就像星系中的恒星，或者绕太阳旋转的行星一样，每个黑洞的轨道运动将阻止它吞噬另一个黑洞——除非发生一些不寻常的合并事件。

在第二篇论文中，让达齐克精确计算了这些合并事件的罕见程度。他计算了LIGO观测到的大黑洞和未观测到的小黑洞（小黑洞会发出微弱而尖锐的信号，只有在离它很近的地方才能探测到）。“当然，当我一个接一个地得出合并率的正确数值时，我感到非常震惊，”让达齐克说道。

原始黑洞假说的支持者们还有许多事情要做，才能更具有说服力。大多数物理学家仍然相信，暗物质是由某种基本粒子构成的，而这种粒子极其难以探测。此外，如果LIGO探测到的黑洞来自普通恒星，那么它们与我们预期的黑洞并没有太大不同。“这在某种程度上填补了理论中一个实际上并不存在的漏洞，”美国卡耐基梅隆大学的天体物理学家卡尔·罗德里格斯（Carl Rodriguez）说，“一些LIGO光源有些奇怪的地方，但我们可以通过正常的恒星演化过程来解释目前为止我们所看到的一切。”

哈佛大学的天体物理学家塞尔玛·德·明克（Selma de Mink）则更为直言不讳，他说：“我认为天文学家对此可以一笑了之。”他曾提出恒星如何独自形成LIGO所观测到的大型双黑洞系统的理论。

根据原始黑洞假说，发现一个亚太阳质量的黑洞应该是比较常见的，而且这种黑洞不能由恒星形成。如果这一观点是正确的，那将会改变整个争论。在未来的每一次观测中，随着LIGO灵敏度的提高，它最终要么能发现这些小型的黑洞，要么将对可能存在的黑洞数量设定严格的限制。“这个假说不同于弦理论，十年或三十年后，我们可能仍在讨论弦理论是否正确，”伯恩斯说道。

与此同时，其他天体物理学家也在探索这个理论的不同方面。例如，也许对原始黑洞最强烈的限制来自微引力透镜搜索。微引力透镜是20世纪60年代就提出的概念，描述的是发生在恒星级天体中的引力透镜现象，对这些现象的调查同样开始于20世纪90年代。天文学家通过这些调查监测明亮但遥远的光源，等待暗物体从它们前方经过。长期以来的研究排除了均匀分布的小型黑洞存在的可能性。

但加西亚-伯利多表示，如果原始黑洞以一系列大小不同的质量存在，如果它们被压缩成密集的大质量星团，那以上这些结果可能就没有研究人员想象的那么重要。接下来的观测或许能最终解决这个问题。欧洲空间局最近同意为美国国家航空航天局即将推出的罗曼太空望远镜（原名大视场红外巡天望远镜）提供一项关键的额外功能，这将使它能够进行突破性的微引力透镜研究。

这项功能是在欧洲空间局科学主任冈瑟·哈辛格（Gunther Hasinger）的指令下推出的，他曾提出，原始黑洞可以解释多个谜团。在哈辛格看来，这是个很吸引人的想法，因为没有引入新的粒子或新的物理理论，而只是重新利用了旧元素。“我相信，也许有些悬而未决的谜题其实可以自己解决，只要你用不同的眼光看，”他说道。（任天）

【065、在家模拟黑洞，只需要一个浴缸】

2021年04月08日环球科学

脑洞大开的科学家们有着许多的妙方来研究黑洞，他们甚至可以在家里的浴缸里造出一个黑洞。

编译丨周郅璨，编辑丨杨心舟

与别的天体相比，黑洞显得十分特别，因为光或者其他任何物质都不能从其视界内逃离而被远处的观察者接收，这使得人们无法直接观察它，科学家们也只能对它的内部结构提出各种猜想，或是间接地获取其位置和质量等信息，比如通过观测恒星或者星际云气团的轨迹，观测物质被吸入前由于摩擦而放出的x射线和γ射线等。

你可能会认为，这些关于黑洞的研究都是那么的高大上，需要精密又复杂的仪器设备，但其实脑洞大开的科学家们有着许多的妙方，他们甚至可以在家里的浴缸里造出一个黑洞。而诺丁汉大学的研究团队就利用特制的水箱成功模拟了黑洞，并对其进行了深入的研究。

众所周知，物质之间的作用是相互的，这个规律对神秘莫测的黑洞同样适用。然而，目前的科技仍旧难以直接探测黑洞本身的性质，因此在关于黑洞的研究中，科学家们更倾向于关注黑洞对进入其中的物质的影响，而不是物质对黑洞的影响。

他们认为黑洞在吸入物质后会出现一种特有的微弱反馈反应，这被称为反反应（backreaction），但由于其相对较微弱，不易被观察，长期以来，这一反应都是被忽略的。而通过诺丁汉大学的科学家们精心打造的模拟黑洞，这种反反应终于能够首次被深入探索，相关的研究成果发表在《物理评论快报》（Physics Review Letter）上。

在过去的十几年里，利用模拟系统对黑洞进行实验分析越来越受欢迎。其中，重力模拟模型，特别是流体力学模型，此前已经多次被用于模拟黑洞周围场的变化。利用这种模拟的方法，能够仅使用较普通的仪器设备就完成与黑洞相关的一些复杂研究与探测。比如，在关于量子光学的模拟黑洞实验中观察到类似霍金辐射的效应，又或是近期的关于模拟白矮星核心压力的实验。

为了研究黑洞的反反应，诺丁汉大学的团队使用了一种全新的模拟方案。在之前的研究中所使用的流体动力学模拟模型是外部驱动的系统，其有效质量和角动量是由实验参数设定的，因此不会发生明显的内部反作用。

而诺丁汉大学的团队使用的是一个由排水涡流组成的水箱模拟器，像是同时打开了水龙头和排水口的浴缸，在水位相对不变的情况下，形成了一个稳定的旋涡。这就得到了一个黑洞的模型，离排水口近的水波将被卷入旋涡内，无法逃逸。

在实验中，研究人员将水泵入一个矩形的水箱中，并将水箱中心开孔，以排出液体，形成旋涡。水箱内液体高度的变化是通过激光束和高速照相机追踪确定的，控制泵入的水的流量和排水孔的大小，可以将水位保持恒定，并使涡流达到平衡。

之后他们使用一系列的电控活塞产生平面单色波，逐渐改变频率和振幅等参数，并监测水位的变化，来评估水波对旋涡的扰动作用。研究人员希望通过该模拟实验，来探究黑洞吸入物质时对自身造成的影响，也就是被预测存在的黑洞的反反应。

令他们惊讶的是，这次研究成功观察到了这种反反应，当水波被送入模拟黑洞时，黑洞本身的性质会发生显著变化。而且这种反应足够强，水箱中的水位甚至出现了肉眼可见的变化。简单来说，也就是当水波接近排水口时，它们会有效地将更多的水推向旋涡内，导致水箱中的水总量的减少，进而使水的高度发生变化。

诺丁汉大学数学科学学院博士后研究员山姆·帕特里克（Sam Patrick）博士解释说：“很长一段时间以来，人们都不清楚反反应是否会导致驱动流体流动的模拟系统发生可测量的变化。经过我们的实验，已经能够肯定这一变化的存在，模拟系统中的水波会将水推向排水口，从而显著改变排水速度和水位，这说明模拟黑洞的有效引力发生了变化。”

这一研究让科学家们能够更简单地探测波与时空之间的相互作用，例如，在实验室中观察黑洞蒸发。除此之外，这种方法也能够启迪更多的研究者。毕竟，用如此简单的设备就能完成黑洞的探索，那我们是不是也能赶紧去和自己家浴缸里的黑洞“聊聊天”？

原文链接：

https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-backreaction-has-been-seen-in-a-bathtub-analogue-of-a-black-hole

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.041105

【066、轴子，暗物质和中子星：如何找到世界上最神秘的物质】

2021-05-12 天文在线

简介：天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）首先提出了暗物质的存在，以解释星系自转的异常特征，以及星系在星团中时的行为。然而我们仍未弄明白它是什么。

目前最令人着迷的天文物理学问题很简单：究竟什么是暗物质？

我们知道暗物质存在，也知道它在世界的每一个角落。我们知道它会，和不会做的一些事情……但有些尴尬地说，我们不知道它是什么。

天文物理学家们有一些猜想，而正在对其进行测验。在一项近日的报道中，天文学家称他们将注意力集中在某一种独特味道的暗物质上——轻重量轴子，但他们并没有观测到任何轻重量轴子。很不幸，因为这些奇异的次原子粒子很有可能组成了暗物质。但这并不能完全排除轴子是暗物质的猜想，或许还会激发新的测试。

天文学家维拉·鲁斌是第一个真正提出暗物质存在的人，她以此来试图解释旋转星系的无规律特征，与星系聚团时的样子。所有这些天体似乎在它的质量之外获得了“额外的”引力，但如果暗物质——一些不反射光线，我们从而无法观测到的物质——存在，并包围着这些星系，它要比“正常”物质（例如质子，电子）重上五到六倍。

科学家们提出了很多关于暗物质的猜想，但这些猜想的内容都可以用非暗物质理论来解释。近十年来，这些猜想被逐渐否认，剩下的只有较极端的几个，例如“非常小的黑洞”（作者：可能性很小，但非常有趣），或者什么我们仍未发现的次原子粒子。

量子物理学家对量子宇宙的行为还有很多理论上的问题，所以他们提出了一种可以解释这些问题的粒子，这种粒子质量极小，不与正常物质发生反应，不发光，并散布在全宇宙之间。这种粒子是暗物质的最佳候选人。

天文学家们将这种粒子命名为轴子，这个名字来自于洁新洗洁精。

但我们该如何观测不发光的东西呢？经过研究，天文学家们发现在特殊的场合下，暗物质可以发光。在强磁场之下，暗物质应会转变为能量（还记得E=mc2吗？那意味着物质与能量是同一颗硬币的两面，并可以互相转换。）我们认为轴子的质量极小，他们所转换出的能量应该在无线电波区域。

中子星是恒星超星星爆炸后，剩下已坍缩的内核。中子星有着非常强的磁场，可以达到地球的几万亿倍，甚至更强。我们可以将无线电望远镜对准它们，如果轴子衰变成无线电波，我们也许会在这里观测到。

天文学家正在进行以上的观测。运用100米长的格林班克望远镜和射电望远镜，天文学家们对两颗中子星，以及银河系的中心（几千颗中子星聚集在那里）进行了观测。他们还对邻近的仙女星系有所涉猎，在这个角度，科学家们将可以观测到更多中子星。另一个参与此次研究的天体是球状星团M54，距地球较近，约有几十万颗恒星，所以在它的核心也会有许多中子星。

格林班克是一架100米长的巨型望远镜，它位于西弗吉尼亚，并拥有全范围可操控的无线电波盘，从宇宙的各个角落接收无线电波长的电磁波。

科学家们所找的是几个特定波长的无线电光波，这些特定的波长与轴子的质量有着直接的关联。虽然我们不知道轴子的准确质量，我们可以将范围缩小。所以天文学家们试图寻找这些特定的波长……但什么也没找到。

这有些让人失望，但并不是我们应当抛弃轴子理论的原因，并不是所有轴子所释放的能量都能被一一排查，科学家们只能观测大约一半的波长，而无线电天文望远镜并不能截取到稍重一些的轴子所释放出的电磁波。我们将在未来继续探索轴子，并计划将所有波长都一一排查。

在宇宙初期，暗物质形成了一张大网，星系则沿着网络形成。也许中子星周围并没有足够的轴子来形成电磁波，以至于任何无线电信号都过于微弱。又或许有其他外力导致轴子电磁波无法被探测到。我们也不能排除轴子并不发射无线电波的可能，甚至轴子并不是我们要找的暗物质。也许暗物质是大质量弱相互作用粒子（简称WIMP）。

但结合最近在粒子探索和天文望远镜上的科技进步，我相信我们不久就会对暗物质取得一个更好的理解。所以尽管最新的结果令人失望，我仍对暗物质的探索充满希望。

宇宙之大令人不可想象，几百兆公里宽！（而且这只是我们看得到的部分，宇宙继续延伸到更远处，也许它并没有尽头）。就连百万的五次方米才在宇宙中算是较长。

为了理解宇宙，我们需要研究那些极小与极大的物质，两者缺一不可。而我们人类，既不是极小的，又不是极大的，正好适合做这样的工作。

BY: Phil Plait

【067、最强“蝴蝶效应”：一个粒子引发的黑洞诞生】

2020年05月18日|Steve Nadis|环球科学

爱因斯坦方程描述了三种典型的时空构型。现在，数学家证明，其中之一——反德西特时空是内在不稳定的。

视频展示了物质进入反德西特时空后，引发的一系列效应。

撰文 | Steve Nadis，翻译 | 贺白，审校 | 吴非

4年前，乔治斯·莫斯基迪斯（Georgios Moschidis）还在普林斯顿大学读研究生，他遇到了一个难以解决的问题。他的导师让他从数学上证明，某个时空结构是不稳定的。换句话说，对它的任何微小改变最终都会导致时空本身的崩溃。

他的导师，数学家米哈利斯·达弗莫斯（Mihalis Dafermos）知道这项任务的难度。达弗莫斯曾与古斯塔夫·霍尔泽格尔（Gustav Holzegel）一起在2006年提出了不稳定性猜想。“你可能耗费了大量精力，却一无所获，”达弗莫斯说，“我认为这样的证明是不可能完成的。”但他却鼓励他当时的学生，目前是加州大学伯克利分校博士后的莫斯基迪斯去试试。莫斯基迪斯当时的工作已经足以获得博士学位了，接下来为什么不去尝试一些更大的挑战呢？

达弗莫斯对莫斯基迪斯非常有信心。从2017年至今，莫斯基迪斯已经在一系列的工作中证明了爱因斯坦时空中的一个典型结构——反德西特（anti-de Sitter，简称AdS）时空——是不稳定的。将少量物质扔进反德西特空间，最终将会产生一个黑洞。

斯坦福大学数学家乔纳森·卢克（Jonathan Luk）认为莫斯基迪斯的工作令人惊叹：“他发现的是一种相当普遍的不稳定机制。”这个机制同样可以应用于其他与反德西特无关的体系中，只要其中的物质或能量被封闭在一个物理系统中。莫斯基迪斯也得到了达弗莫斯的称赞，他说：“肯定是过去几年内，我在广义相对论数学中看到的最原始的东西。”

尽管我们并没有生活在一个反德西特的宇宙中，（谢天谢地，否则我们根本不会存在）但这项工作可以帮助我们理解一系列物理机制，例如湍流、引力和量子力学之间的神秘联系。

“镜面”边界

不稳定性猜想，以及由它产生的整个思想流派，可以追溯到爱因斯坦的广义相对论方程组。该方程组精确地阐明了质量和能量是如何影响时空曲率的。在没有任何物质的真空，时空仍然可以弯曲，引力仍然存在。这是因为真空本身也存在能量密度，科学家用“宇宙学常数”描述这一现象。因此，真空其实一点也不“空”。

爱因斯坦真空方程的3个最简单的解，也是对称性最高的——在这些解中，时空曲率处处相同。在闵可夫斯基（Minkowski）时空中，宇宙学常数为零，宇宙是完全平坦的。在德西特（de Sitter）时空中，宇宙学常数有一个正值，宇宙的形状就像一个球体。当宇宙学常数为负时，就会得到反德西特时空，这时的宇宙是一个鞍形。对于物理学家来说，问题在于：这3个时空中，究竟是哪一个描述了我们的宇宙？

另一方面，数学家则在怀疑这些时空是否真的稳定。也就是说，如果你以任何方式扰乱真空时空——比如说，向系统中注入一些物质，或者发送引力波——它最终会回归平静，并接近原始状态吗？还是会演变成完全不同的状态？这相当于把一块石头扔进池塘：激起的水波会逐渐消失，还是会形成海啸？

1986年，一位数学家证明了德西特时空是稳定的。1993年，两位数学家对闵可夫斯基时空做了同样的研究。而对反德西特时空的证明则花了更长时间。普遍的共识是，与其他两种构型不同，反德西特是不稳定的，这意味着数学家将不得不采取一种完全不同的新手段。达弗莫斯说：“为解决稳定性问题，人们已经开发了许多数学工具。但不稳定性，尤其是反德西特时空的不稳定性，是一个完全不同的领域。”它本质上是非线性的，这样的特性平添了复杂性，相应的计算也很棘手。

达弗莫斯解释说，研究人员怀疑反德西特时空可能是不稳定的，因为他们认为它的边界具有反射性，“就像一面镜子，任何到达它的波都会反射回来。”

普林斯顿高级研究所的物理学家胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）说：“从物理学角度上看，边界上的反射是有意义的。”这在一定程度上是出于反德西特空间的曲率，但还有一个更简单的解释：能量守恒原则。

如果边界是反射性的，那么反德西特时空中就不会有任何东西外泄。因此，任何物质或能量进入这个系统最终都可能集中起来，甚至可能形成黑洞。问题是，这真的会发生吗？如果是这样，是什么机制导致物质和能量聚集成这样的程度，而不是散开？

莫斯基迪斯想象着站在反德西特时空中，就像在一个巨大的球中，球的边界在无穷远处。如果你在球内发出光信号，它会在有限的时间内到达边界。这种情况之所以能够成立，是由于众所周知的相对论效应：虽然到边界的空间距离是无限的，但对于以光速或接近光速行进的波或物体，时间会减慢。因此，尽管需要耐心，站在反德西特时空中间的观察者最终会看到光线在有限的时间内到达边界。

黑洞的诞生

莫斯基迪斯没有考虑光波，而是将一种在广义相对论模型中常用的物质——爱因斯坦-弗拉索夫粒子——投放到反德西特空间。这些粒子在时空中产生同心的物质波，和池塘中出现的水波纹类似。

物质掉落至这个时空，产生的众多同心波中，最初的两列信号最强，因为它们包含的物质和能量最多。因此我们也将重点研究它们。第一列波称为1号波，它将向外扩张，直到到达边界，反弹回来，并在返回过程中收缩。第二列波，即2号波，将随之而来。

1号波在向中心收缩的过程中，将击中仍在膨胀的2号波。爱因斯坦方程的一个结果是，在这样的作用中，膨胀波（2号波）总是将能量传递给收缩波（1号波）。

在1号波到达中心后，它将再次膨胀、向边界扩张，与此时正在收缩的2号波相遇。这一次，1号波将把能量传递给2号波。这个循环可以多次重复。

莫斯基迪斯还注意到了另一个现象：在中心附近，波占据的空间更少，携带的能量更集中。因此，波在中心附近的作用中交换的能量比在边界附近的更多。也就是说，1号波在中心给2号波提供的能量，比2号波在边界给1号波提供的能量多。

经过多次反复，2号波不断从1号波获取能量，能量密度继续增加。在某个时刻，当2号波向中心收缩时，它的能量会变得非常集中，从而形成一个黑洞。

这就是不稳定性的证明：莫斯基迪斯展示了，当他在反德西特时空中加入一个极小的物质时，黑洞必然会形成。然而，根据定义，反德西特时空的曲率在任何地方都是一致的，这意味着它不能容纳像黑洞这样扭曲空间的物体。“如果你扰乱了反德西特时空，并且等待足够长的时间，” 莫斯基迪斯说，“你最终会得到一个包含黑洞的全新构架，而不再是反德西特。这就是我们所说的不稳定。”

莫斯基迪斯最近证明了在一种不同的物质扰动（无质量标量场）下，反德西特空间的不稳定性。这项工作尚未发表，但他在几次学术报告中介绍了这个想法。“因为标量场产生的波可以代表引力波，” 达弗莫斯说，这使得莫斯基迪斯离最终目标更近了一步——在真正的真空中证明反德西特的不稳定性。在真空中，不引入任何物质时，时空也会受到引力的严格扰动。

反德西特空间的未来

反德西特时空的不稳定性对我们理解自己的宇宙也有着重要影响。首先，由于反德西特时空是不稳定的，这是“你在自然界中看不到的东西，” 莫斯基迪斯说，但“尽管反德西特不是真实的，它仍然可以引导我们发现和研究真实现象。”

例如，当能量从大尺度集中到小尺度时，就会产生湍流。莫斯基迪斯指出，当反德西特时空受到扰动时就会出现这种情况。湍流是一种广泛存在于各种流体系统中，但缺少了解的现象。反德西特时空是一个“干净”且相对简单的系统，这就是为什么它被认为是研究湍流的很好的理论试验平台。在反德西特时空中，湍流是由引力引起的，但莫斯基迪斯认为，他正在开发的数学工具也可以帮助分析流体力学中出现的湍流。

反德西特在反德西特/共形场论（AdS/CFT）对偶中也有突出的特点，AdS/CFT对偶是在量子引力理论中将量子力学与引力结合起来的关键线索。对偶关系表明，反德西特空间中的引力系统可以等价于低一个维度的非引力量子系统。1997年发现这一对偶关系的马尔达西那说：“我们可以用一个引力理论来描述不含引力的量子力学系统。这个引力理论并非来自我们的宇宙，而是出自反德西特宇宙。”他进一步指出，最近莫斯基迪斯证明了反德西特的不稳定性并不影响对偶的有效性。

莫斯基迪斯的工作与AdS/CFT对偶相结合，也有助于阐明我们更熟悉的粒子相互作用。例如，莫斯基迪斯利用反德西特时空的微小扰动来制造黑洞。这一过程通过对偶关系，与量子系统达到平衡的热化过程相关——这是一种几乎无处不在的现实世界现象。

“证明反德西特是不稳定的，” 莫斯基迪斯总结道，“并不意味着它是无趣的。”

原文链接：https://www.quantamagazine.org/black-holes-prove-that-anti-de-sitter-space-time-is-unstable

【068、超新星爆发到底有多危险？近地超新星一旦爆发，真的能毁掉我们吗？】

三体引力波 2019-11-06

参宿四一旦爆炸，将是人类的末日？

我们说了参宿四一旦爆炸，将会对人类造成什么影响……

很多人都在追问，除了724光年远的这颗超级定时炸弹外，到底还有哪些潜在危险的近地超新星将会爆发？

先说什么是近地超新星爆发？

简单来说，就是那些距离地球足够近的末日恒星，比如红超巨星、蓝超巨星等最终爆掉，就会出现近距离的超新星爆发。

足够近，是多近？

大约1000光年之内，对我们地球生命可能造成影响，甚至致命一击。

问题来了，超新星爆发果真能够毁掉我们吗？

其实，超新星爆发本身并不会直接毁掉我们或者地球生命。

而是爆发过程中释放出大量的伽马射线，以光速辐射到地球大气层，引发化学反应——把氮分子转化成氧化氮。

由此，消耗掉地球生命的保护伞——臭氧层，这会导致地球生命直接暴露在太阳风、宇宙射线等有害辐射下。也就是说，超新星爆发产生的伽马射线，会破坏臭氧层，给予我们致命一击。

根据科学家估计，如果距离我们26光年的一个II型超新星爆发，将会破坏一半以上的地球臭氧层。所有大质量恒星最终都会成为II型超新星，是宇宙间很普遍的一种超新星，也叫核塌缩超新星。

1987年发现的大麦哲伦星系内SN 1987 A，就是一颗典型的II型超新星。事实上，比II型超新星更危险的是极超新星爆发，爆炸能量相当于普通超新星的100倍。

尤其是伴随产生的伽马射线暴，对于地球生命来说，更是致命杀。因为它具有难以想象的巨大能量，往往在几秒时间里释放出的能量，就相当于几百个太阳一生中释放能量的总和，它是人类已知的宇宙间最猛烈的电磁暴。

1997年12月14日，观测到的一次伽马射线暴，距地球120亿光年，爆发一两秒内，亮度就达——除它外的整个宇宙一样明亮。

它在50秒内释放出的能量，相当于银河系200年的辐射总量，比超新星爆发还要大几百倍。

关键问题来了，地球生命曾经遭遇过这种突如其来的天灾吗？科学家们通过检测地球岩层中的金属同位素，来追溯超新星是否改变了地球生命。

2009年，科学家在南极冰核中发现了硝酸盐，测定年代约为1060年代，而古人在1054年发现的一颗超新星SN1054（M1蟹状星云就是它的残骸），恰好就是实证。

因为此处的硝酸盐，显然来自超新星爆发的γ射线所形成的氮氧化物。

更加叫人吃惊的是下面——

地球生命史上共有五次大灭绝事件，排名第二的奥陶纪大灭绝，发生在4.4亿年前，导致当时85%的地球物种灭绝。

2005年，由NASA和美国堪萨斯大学共同研究结果显示，这次大灭绝事件很可能是由一颗极超新星释放的伽马射线暴导致的。

整个过程仅仅持续了十秒，却摧毁了地球一半的臭氧层，致使太阳紫外线袭击地球，导致地表大量生物死亡，从而破坏食物链。

就像小行星撞地球一样，这种天灾发生概率有多少？

通过天文学家建立的超新星演化模型得出——

距离地球100光年半径范围内，发生超新星爆发的机会是860万年一次；

200光年半径内，发生机会是100万年一次；

660光年半径内，发生机会是10万年一次；

1000光年半径内，发生机会是8625年一次。

最最关键的是，能够提前预警吗？

目前天文学家认为，对我们地球生命构成最大潜在危险的是——

位于飞马座、仅仅距离我们150光年的一颗红超巨星，名叫IK PegasiB——随时都可能爆发。

最可怕的是，有迹象表明，它一旦爆发很可能伴随产生伽马射线暴！

所以，关键是要探测到伽马射线暴，及时、准确，才能高效预警。

▲2004年，NASA发射了专门用于探测伽马射线暴的雨燕卫星Swift，最大特点就是反应迅速，能够对转瞬即逝的伽马射线暴进行快速反应，从而作出预报。

▲2008年，NASA又发射了费米伽玛射线太空望远镜，搭载了伽玛射线爆发监控仪器，可以探测到每年数百次的伽马射线暴，当然目前都是在极远的爆发源。

不过，大家也不必过虑，因为伽马射线暴之所以足够狠，足够亮，关键是它像激光那样，把所有能量都集中在一个方向，而不是像普通光源那样像各个方向辐射到太空。

也就是说，伽马射线暴要想危害到我们的地球，也必须是像激光那样扫射到地球大气层，这当然是小概率事件。

NASA从2004～2015年观测到的1000个伽马射线暴。

有了NASA，有了希望。面对未知宇宙，人类不会望而却步。

【069、第一个黑洞的发现远比我们想象的大】

2021-03-04 天鹅座X-黑洞吸积盘

研究黑洞的理论物理学家与发现黑洞之间存在着很长的差距，因此天鹅座X-1的确认引起了极大的兴奋。现在这种兴奋又回来了，人类发现的第一个黑洞比以前意识到的更大。事实上，它如此庞大，以至于令人怀疑我们对恒星演化的认识。

天鹅座X-1有一种强大的X射线源，它在1964年的一次短暂火箭飞行中被发现，目的是在大气层阻挡的波长下获得宇宙的提示。十年后，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）打赌它的黑洞地位。

莫纳什大学（Monash University）的伊利亚·曼德尔（Ilya Mandel）教授使用甚长基线阵列来测量天鹅座X-1与遥远星系相比的视在运动，因为地球从太阳的一侧交换到太阳的另一侧。在《科学》杂志中，他们报告了这些视差测量结果，表明天鹅座X-1距我们有7,100光年，远远超出了以前的估计。

相距6个月进行的视差测量告诉我们天鹅座X-1距离我们只有7,000光年——曼德尔在一份声明中说：“天鹅座X-1系统的黑洞开始以一颗恒星的形式存在，大约是太阳质量的60倍，并在数万年前坍塌了。” “令人难以置信的是，它每五天半绕着它的伴星一个超巨星运行，其轨道距离只有地球和太阳之间距离的五分之一。”

利用新的距离可以告诉我们有关系统尺寸的信息，天鹅座X-1的质量约为太阳的21倍，比以前想象的要大40％。尽管与星系中心的超大质量黑洞相比它很小，但它很容易成为我们在银河系中因恒星死亡而发现的最大质量的黑洞。

黑洞是成为超新星的超巨星的残留。尽管最大的恒星可以诞生超过100个太阳质量，但它们的活跃太阳风将其中的大部分吹散了。除了在实际爆炸中损失的东西以外，我们可以看到这些起源的黑洞的范围为2到16个太阳质量，因此天鹅座X-1已经接近该范围的顶部。现在这是一个阈值点。

LIGO已经探测到了涉及50个太阳质量黑洞的合并产生的引力波，但这可能是铁含量极低的恒星的产物，这意味着较弱的太阳风和更多的NDS和更多的质量留下。最近在银河系中形成的恒星具有较高的金属含量，这被认为意味着风太强，不能留下这么多质量。“恒星越重，风就越强，”曼德尔告诉IFLscience。“因此黑洞的质量不会因增加了初始恒星质量而获得太多收益。”

从理论上讲，我们可能会看到一个三颗星系统的残骸，黑洞由于消耗了第三颗星而变得非常大。曼德尔告诉IFLScience，另外一颗恒星的质量足以引起差异，从而延长了其他分量之间的轨道，这通常会在恒星消耗后持续。曼德尔说，以前的三星系统要留下一对像这样的圆形轨道，就需要非常异常的东西。“并不是说任何涉及真正大质量恒星的事物都是正常的。”

在《天体物理学杂志》的一篇论文中，最有可能的解释是，我们高估了这颗恒星的质量损失。曼德尔告诉IFLScience，一些理论家认为以前的估计过高，“我们现在有了一个很好的观察约束。”

作者：Stephen Luntz，澳大利亚职业作家

【070、第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星shn117】

星空早知道

1995年10月6日，天文学家宣布发现在恒星飞马座51附近发现一颗行星，即“飞马座51b”。这是人类首次在一颗与太阳相似的恒星周围发现行星。

“宇宙这么大，

如果只有我们，

岂不是太浪费了？”

——卡尔·萨根

当你抬头仰望满天繁星的时候，你所看到的几乎全部都是恒星。而每一颗恒星其实都是一个遥远的太阳。我们居住在地球上，地球围绕太阳公转，除了地球之外，太阳系还有7颗行星，无数的小行星，彗星以及其他天体，它们共同组成了一个庞大的系统，叫做太阳系。

你有没有想过，在那些遥远的恒星旁边，有没有可能也存在着一个个类似的太阳系？那里，有没有另一个地球？

故事要从23年前的今天说起。

1995年10月份的那一期《自然》杂志论文截图，标题是《A Jupiter-Mass Compansion to a Solar-type Star》（一颗类太阳恒星周围的木星质量伴星）这篇论文宣告了飞马座51b的发现。

1995年10月6日，天文学家宣布发现在恒星飞马座51周围发现一颗行星，即“飞马座51b”(51 Pegasi b)。这是人类首次在一颗与太阳相似的恒星周围发现行星。在此之前，1992年，天文学家在一颗编号为PSR 1257+12的脉冲星周围发现过一颗行星，但脉冲星的本质其实是快速旋转的中子星，而中子星是大质量恒星死亡后留下的残骸。换句话说，这颗行星围绕的是一个恒星的尸体在运行。

而围绕一颗“活着的”，“正常的”恒星运行的行星，是从23年前的今天开始的。

就在这一天，瑞士日内瓦大学的天文学家米歇尔·迈耶（Michel Mayor）和迪德亚·奎洛斯（Didier Queloz）在《自然》杂志发表了一篇论文，标题异乎寻常的简洁：《A Jupiter-Mass Compansion to a Solar-type Star》（一颗类太阳恒星周围的木星质量伴星），但其意义却非同寻常：这是人类首次在一颗“类太阳”恒星的周围发现行星。

行星飞马座51b的发现使用了所谓“径向速度法”，也就是由于行星的存在，对恒星造成的拖拽效应，这是恒星飞马座51表现出的明显周期性晃动效应，显示其周围存在一个行星。

受到周围行星引力拖拽效应的恒星晃动示意图。尽管我们看不到行星，但是通过对恒星晃动模式的仔细分析，我们可以推算出行星的存在，并计算出其质量大小。

恒星“飞马座51”距离地球大约50光年，顾名思义位于飞马座方向。天文学家们一般将围绕其他恒星运行的行星称作“系外行星”（exoplanet），对它们的命名习惯则是从b开始编号。比如说b就是围绕某个恒星发现的第一颗行星，以飞马座51为例，如果以后在它近旁又发现了几颗新的行星，那么按照发现的顺序，它们会被分别命名为“飞马座51c”，“飞马座51d”，“飞马座51e”等等。但到目前为止，我们在恒星“飞马座51”周围只发现了一颗行星，就是“飞马座51b”。

在某些非正式的场合下，这颗系外行星会被称作“Bellerophon”（柏勒罗丰），这是希腊神话中的英雄。这个名字是美国加州大学伯克利分校的著名系外行星专家杰夫里·马西（Geoffrey Marcy）取的，这也延续了太阳系内的传统，那就是用古罗马或者古希腊的神话人物名字为行星命名的做法。根据神话，“柏勒罗丰”这位英雄正是驾驭飞马的天神。不过这位大牛在2015年遇到大问题，他因为受到性骚扰指控而被迫离职。

背后的发现者

不过后来，国际天文学联合会还给这个行星专门推荐了一个名字，叫做“Dimidium”，这是拉丁文，大意是“一半”的意思。寓意其质量大约是木星质量的一半。当然这也不是最终的命名，天文学界更多的还是以“飞马座51b”这个信息量更丰富，表达也更清晰的名称称呼它。当然，更大的原因可能还是因为当时发现的系外行星很少，稀罕，而现在数以千计的系外行星已经被发现，这都要专门命名的话，恐怕古希腊古罗马传说中所有的人物名字用光都不够。要知道，截止目前，系外行星的已发现数量已经逼近4000颗。

但不管如何，飞马座51b永远会是那个会被记住的第一颗。

1992年，人类发现第一颗系外行星，但它围绕公转的是一颗脉冲星，那是恒星死亡后的残骸。

我们对于这颗行星有多少了解？我们知道这颗行星的质量大约是木星的一半，但是直径可能要比木星还大一些。与木星不同，飞马座51b距离它的母星非常近，公转一圈（一年）的时间只相当于地球上的4天，而相比之下，地球绕太阳一圈要365天，而木星则要长达12年。

我们还知道，这颗行星与它的恒星之间处于潮汐锁定状态，有点类似地球与月球之间那种关系，这也就意味着这颗行星将永远以同一面朝向恒星，就像月球永远以同一面朝向地球一样。

新一代的詹姆斯·韦伯空间望远镜，或许将揭开系外行星观测的崭新篇章——但是很多人可能觉得难以置信的是，我们虽然知道那里存在着这样一颗行星，但我们从未亲眼看到过它，所有关于这颗星球的画面都是艺术家的想象图。原因很简单，它实在太远了。但是就在未来的几十年内，我们将有机会看到未来更加先进的空间超级望远镜直接拍摄的这些遥远世界的真实画面。那将是一个崭新时代的开端。我个人非常相信，在我们的有生之年，人类将会找到外星生命的存在。

【071、多次濒临夭折的哈勃望远镜，曾被称作15亿的错误，它是如何复活的】

2020-04-21 knowledge

1990年4月24日，著名的哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，缩写：HST）发射升空。

如今，哈勃望远镜已经成为了世界上最著名的望远镜，它所公布的每一张宇宙照片都备受瞩目。可是，回顾起哈勃望远镜的发射历程，我们能想到的只有那几个词语——跌宕起伏、曲折离奇。

最初构想

关于太空望远镜的构想，远比你想象的要早。

早在1923年的时候，德国太空先驱三人组之一的赫尔曼·奥伯斯出版专著《Die Rakete zu den Planetenrumen（火箭进入行星空间）》，首次提到了关于利用火箭将望远镜送上太空的想法。

1946年，美国天文学家小莱曼·斯皮策发表了论文《Astronomical advantages of an extraterrestrial observatory（地外天文台的天文优势）》，正式提出了空间望远镜的概念和优势。

斯皮策一生之中始终致力于空间望远镜的研制上，对于哈勃望远镜以及其他空间望远镜的发射都作出了杰出的贡献。因此，NASA也将2003年发射升空的太空望远镜以他的名字来命名，这就是今年刚刚退役的斯皮策太空望远镜。

1962年，美国国家科学院也提交了一份报告，认为空间望远镜应该作为一项重要的天文视野来发展。于是，在1965年的时候，NASA成立了一个致力于建造空间望远镜的委员会，这个委员会的委员长即是斯皮策。

1974年，在空间望远镜还没有问世的时候，“寒酸”的科学家们只能利用飞机将观测设备承载到空中进行有限的观测。比如柯伊伯机载天文台，就是利用改装过的C-14飞机搭载到12500米高空，在相对稀薄的大气环境下提高人类的观测能力。

空间望远镜的优势

为何天文学家纷纷将目光放在了太空？难道地球这个“小庙”容不下望远镜这一尊“大佛”吗？

容不下。

地球的大气层对于生命的存在至关重要，如果没有它，现在的地球将是一片死寂。但是，它阻拦了外太空辐射的同时，也阻拦了人类的视野。虽说我们的肉眼看不见空气，但这不意味着它真的是“看不见”，大气湍流在天文观测时给天文学家带来了巨大的障碍。

不仅如此，地球大气层可以遮挡或者削弱很多波段的电磁波。比如我们熟知的臭氧层，可以吸收大部分紫外线，保护我们不会被太阳辐射所伤害，但是也阻止了科学家利用紫外线波段对宇宙进行观测。如果能让天文望远镜摆脱地球大气层，那就可以不受大气层的干扰，极大地扩展人类的视野。

不论是理论上还是其他一些初步的实践成果都告诉我们：空间望远镜的确具有非常巨大的观测优势。1968年，NASA正式决定：建造一台口径达到3米的空间望远镜，名称暂定为大型轨道望远镜或大型空间望远镜（LST），预计发射时间为1979年。这台望远镜，就是后来的哈勃太空望远镜。

一波三折

可是，这个计划从一开始就面临着一个重大的问题：钱。

正应了那句话：钱不是万能的，没有钱却是万万不能的。

对于这台望远镜的的高昂预算，美国国会提出了质疑，并且要求必须想办法降低预算。当科学家们绞尽脑汁地思考如何削减预算时，却接到通知说不用考虑这个问题了——不是国会有钱了，而是国会明确表示：这个项目撤销。

天文学家们如同遭到了晴天霹雳，他们到处游说，很多人亲自拜访众议员和参议员。1977年，在他们的不断努力下，参议员才决定恢复一半的预算。

直到1979年，也就是最初计划发射这台望远镜的那一年，它的主镜片才刚刚开始抛光。直到两年后，承担这项任务的珀金·埃尔默公司仍然没有完成抛光工作。此时，抛光的费用已经超出了最初的预算。NASA无奈之下，只好决定“打个八折”，把这台望远镜的口径改为2.4米，也就是现在哈勃望远镜的口径。从这个角度来讲，哈勃望远镜只是个“残次品”。

即便如此，这台望远镜的经费仍然严重不足，国会又把钱包捂得极紧。无奈之下，NASA只好转而向欧洲航天局求助。对于欧航局来说，这恐怕算得上是天上掉馅饼了。于是，他们出人、出力、出钱、出设备，助NASA一臂之力。前提条件是：欧航局获得这台望远镜15%的使用时间。因此，我们看到的一些哈勃太空望远镜的照片都是两个航天局合作的。

本段开篇的那句话如果反过来说，就是当时NASA遇到的尴尬。没有钱是万万不能的，但钱也不是万能的。即使得到了欧航局的帮助，望远镜的发射时间仍然一推再推，先是推迟到1986年3月，然后推迟到同年9月。这一次，他们不用再推了，因为问题已经不是望远镜打造的问题了。

1986年1月28日，是天文史上最悲痛的一天，美国挑战者号航天飞机发生事故爆炸，7名宇航员全部牺牲。这个打击让NASA不得不停下脚步，暂停了航天飞机的发射。

研发哈勃望远镜的相关工作人员反倒是把握住了这个机会，继续提高望远镜的灵敏度、改进地面控制系统。但是，原本计划搭乘航天飞机进入太空的哈勃望远镜，不得不放在无尘室中精心保存，这无异于是在白白地烧钱。望远镜的发射，已经刻不容缓。

迟来的发射

1990年4月23日，美国肯尼迪航天发射中心，万众瞩目的时刻终于到来。从提出构想到这一刻，已经过去了44年。这台在前不久决定以刚刚逝世一年的著名天文学家埃德温·哈勃的名字来命名的太空望远镜，终于装进了“发现者”号航天飞机，被发射升空。4月24日，在航天飞机的投放后，哈勃太空望远镜正式开始服役。

这个时候，原始预算只有4亿美元的哈勃望远镜，已经烧掉了接近15个亿。在它的身上，一共配备了五大武器：

广域和行星照相机（Wide Field and Planetary Camera,缩写：WF/PC）：为哈勃提供最高解析力，后被第二代和第三代广域照相机代替；

戈达德高解析摄谱仪（Goddard High Resolution Spectrograph，缩写：GHRS）：由戈达德航天飞行中心制造，光谱分辨率可达90000，主要负责紫外线波段的观测工作，1997年时被太空望远镜影像摄谱仪（Space Telescope Imaging Spectrograph，缩写：STIS, ）代替；

高速光度计（High Speed Photometer，缩写：HSP）：在紫外线、可见光和近红外线的波段上，每10微秒测量一次天体的光度变化和偏极性；

暗天体照相机（Faint Object Camera，缩写：FOC）：提供极高的解析力，能够分辨0.05角秒的天体；

暗天体摄谱仪（Faint Object Spectrograph，缩写FOS）：观测波长在1150至8500埃的摄谱仪，1997年被太空望远镜影像摄谱仪（STIS）代替。

从尺寸上看，哈勃望远镜和一辆公交车差不多。它的口径为2.4米，总宽度4.2米，长度为13.2米，重量约为11.11吨。目前运行在大约540公里的高空，以每秒7.59公里的速度绕地球公转。

可是，这一台无数天文学家呕心沥血、栉风沐雨打造的望远镜，承载着无数人对宇宙的渴望与憧憬，却在传回第一张照片的时候就让所有人大跌眼镜。这是怎么回事呢？

15亿美元的“天大错误”

哈勃传回来的第一张照片，出人意料地不清晰。不是你的眼神有问题，你的手机屏幕也很好，是哈勃太空望远镜的问题。

这个问题马上成为了当时的热点新闻，让哈勃望远镜成为了全美国茶余饭后吐槽的焦点。《新闻周刊》杂志的封面甚至把起了 "15亿美元的大错"的题目。

15亿美元，换来了5毛钱的特效。

喷射推进实验室主任卢·艾伦领导的委员会马上寻找其中的原因，最终发现：问题还是出在了珀金·埃尔默公司的身上——恐怕这些技术人员，已经恨得压根直痒痒，不知道当初为何把这项任务给了这家公司。

导致哈勃望远镜观测能力大大弱于预期的原因，就在于主镜的打磨。这就要从哈勃望远镜的原理说起了。

从本质上说，哈勃太空望远镜的原理和折反射望远镜差不多，但是能够观测到的波长范围更加宽广。光线射到主镜后，通过主镜反射到副镜上。这里的主镜画得比较平，但其实是一个凹面镜。

光线由副镜反射，通过主镜内的孔，并汇聚在焦点上。只要在焦点上安置接收仪器，就可以实现将远处天体的放大。这里，首先就得要求主镜有完美的平整度，其次就是主镜的曲率要完美实现。否则，看上面的原理图就知道，光线一定会散开。

结果，由于主镜的曲率有了一点点细微的偏差，就产生了实际像点与理想像点的位置之差，这种偏差叫做球面像差，也叫球差。据计算，哈勃望远镜当时的球面像差仅有2.2微米，是人类头发的几十分之一。但是，对于哈勃这样的超精细设备来说，这个偏差是致命的。中国古人讲：“失之毫厘，谬以千里”。而哈勃更夸张，失之微米，谬以光年。

问题找到了，那么，到底这个问题是怎么产生的呢？

艾伦委员会的调查结果显示：原本望远镜研发项目中包含着对球面像差的检测流程，就是利用一种叫做“零位校正器”的设备进行检测。但是，在应该进行这项检测的期间，珀金·埃尔默公司因为经费和项目进度的问题和NASA闹得很不愉快，因此有些破罐子破摔的心态，于是抱着侥幸心理没有按照最初的要求装配零位校正器，错误安装的零位校正器导致了微弱的偏差。珀金·埃尔默并非不知道这件事，但是他们竟然没有修正，而是垫了几个金属片强行把偏差消除，想借此蒙混过关。

事情到这里还有挽回的余地，挑战者号航天事故给了他们时间和最后的机会，只要NASA的人再检测一次，发现问题就好了。可是，珀金·埃尔默的人始终拍着胸脯保证主镜没有任何问题，于是检测就没有进行。

纸是包不住火的，当那些哈勃望远镜传回的第一批照片呈现在众人面前的时候，也就是人们傻眼的时候。

险些流产的哈勃望远镜

艾伦委员会认定，这次偏差的主要错误在于珀金·埃尔默公司的粗心大意，为此，后者迫于你懂得的压力，不得不赔偿1500万美元。同时，NASA的相关人员因为工作不力，同样遭到了严厉的批评。

可是，惩罚不是目的，已经出现的问题该如何解决呢？

把望远镜拉回地面维修不是不可能，但是高昂的成本让人望而却步。好在问题还有解决的余地，他们可以在太空中给哈勃望远镜“戴眼镜”。通过重新的计算和反复的检查，技术人员得出结论：主镜的圆锥常数为-1.01390±0.0002，而不是预定的-1.00230。

1993年，NASA发射了奋进号航天飞机，利用机械臂将哈勃望远镜抓进航天飞机中。在接下来的7天内，宇航员将矫正光学空间望远镜轴向替换系统（Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement，缩写：COSTAR）装入哈勃，消除了球面像差。由于哈勃望远镜内位置不够，NASA不得不舍弃了五大武器之中的高速光度计（HSP）。同时，他们也用第二代广域和行星照相机替换掉了第一代，提升了观测的能力。

至此，哈勃望远镜终于摆脱了人们的嘲讽，从此成为了人类观测宇宙时最重要的“一双眼”。在接下来的27年时间里，它无数次用强大的观测能力，向我们展现最壮观、最深邃、最神秘的宇宙，诉说着这个宇宙所隐藏的秘密。

为何哈勃能长青30年

哈勃太空望远镜已经服役30年，却依然能持续传回大量震撼的宇宙图片。和它相比，斯皮策太空望远镜2003年升空，今年年初退役，只工作了17年，而1991年发射的康普顿望远镜仅仅服役了9年，就在2000年坠入太平洋。

为何哈勃望远镜能够独树一帜，30年来依旧长青呢？

这是在于，哈勃太空望远镜是唯一被设计为可以由宇航员在太空中进行维修的设备（根据前两章的介绍，可以感受到我们该多么庆幸它可以维修）。从发射至今，哈勃太空望远镜已经经历了5次维护更新。

1. 第一次维护：就是前面提到的1993年那一次维护，成功避免了哈勃望远镜的夭折，并且幸运地在第二年就拍摄到了著名的彗木相撞画面。

2. 第二次维护：1997年，美国7名宇航员搭乘“发现”号航天飞机升空，更换了11台最新设备，还修补了部分被剥落的绝缘层。

3. 第三次维护：1999年，哈勃望远镜更换了一些绝缘设备、传感器等设备，还更换了全部的6个陀螺仪。陀螺仪对于航天器的定位和运动有着极重要的意义，康普顿望远镜退役也是因为陀螺仪的损坏。

4. 第四次维护：2001年，NASA利用“哥伦比亚”号航天飞机更换了电池板和电力控制装置等设备。

5. 第五次维护：由于2003年哥伦比亚号的航天事故被推迟，直到2009年时才被当时的局长批准。从此以后，哈勃望远镜没有再进行过维护，而这一次维护后，据推测它可以工作到2030-2040年。

“薪火相传”

尽管经历了多次维修，但我们知道，终有一天哈勃望远镜也会退役。不过幸运的是，NASA早就已经准备好了下一代望远镜，那就是詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，缩写JWST）。

和哈勃相比，JWST的观测功能更加惊人，而且它能观测到的波段也比哈勃要更加宽广。哈勃望远镜的口径为2.4米，而JWST可以达到6.5米。因此，前者的观测极限大约为134亿光年，而后者则可以观测到136亿光年以外，也就是宇宙大爆炸后2亿年左右的模样。

和给予它名字的天文学家埃德温·哈勃一样，哈勃望远镜也是人类天文史上的一座里程碑。在人类前行的路上，里程碑会一个一个被甩在后面。但是，我们永远不会忘记里程碑旁边的风景，和里程碑向我们诉说的一个道理：我们永远在前行！

【072、发现一原行星盘中有神秘马蹄形结构】

2021-04-08 天文

在年轻恒星周围的尘埃和气体圆盘中，出现了神秘的结构。博士生保罗·卡佐莱蒂(Paolo Cazzoletti)与尤文·范·迪肖克(Ewin Van Dishoeck)教授一起研究如何解释这些形式，如环形、螺旋形和孔洞。自从20世纪90年代发现第一颗系外行星以来，到现在已经发现了4000多颗系外行星。行星是在年轻恒星周围的原行星盘中形成。首先，尘埃聚集成颗粒，逐渐增长到鹅卵石大小，最终形成岩石和行星。

如果它们足够大和足够重，它们可以吸引盘中的气体，在某些情况下，它们会成长为像木星和土星这样的气体巨星。在第一次望远镜观测中，原行星盘看起来光滑而对称，但这在大约七年前就改变了。使用智利的阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列(ALMA)射电望远镜，天文学家能够更详细地观察到这些圆盘。

这些观察结果表明，它们并不对称和光滑，我们看到了结构和形状，比如洞、环和马蹄形和香蕉形的底座，这是一个惊喜。对此最常提及的解释是一个或多个行星存在，它们可以与气体圆盘中的灰尘和气体相互作用，形成结构。

但发现的行星比解释所有尘埃和气体结构所需的行星要少，这使得这些结构更加神秘，所以不得不寻找其他的解释。研究了ALMA对HD135344B的观测，HD135344B是围绕着一颗年轻恒星的圆盘，这个气体圆盘并不对称，南侧是一个香蕉形的结构，它看起来像是一种尘埃漩涡。此外，圆盘上层的细小尘埃颗粒形成螺旋臂。

天文学家最初认为这是由于盘片外部区域存在行星造成，但是没有发现任何行星，研究描述了非对称尘埃漩涡是如何形成螺旋臂的，如果是这样的话，只需要一颗靠近恒星的行星来解释观测到结构的其余部分。除了这项观测工作，研究人员还进行了理论研究，以解释原行星盘气体中的环状结构，为此把重点放在氰化物分子上。研究看到这些环形气体结构有两种可能性，这可能是由原行星盘上的环形孔造成。

或者说没有空洞，但由于氰化物分子的化学作用和发光方式，似乎只有一个空洞。通过分析理论模型，发现观测到的环状形状与尘埃盘形状没有关系，它们主要是化学空洞，因为母星附近的氰化物较少。本研究有助于更好地理解原行星圆盘中的结构如何形成，有了这些知识，未来天文学家们希望找出这些结构与行星的形成，以及在过去25年中观察到的系外行星系统多样性是如何相关的。

【073、关于黑洞你不知道的9件事情】

Philip Plait　文　Shea　编译

黑洞也许是宇宙中最神奇的天体，因为连光都无法逃脱它的引力。从宇宙漏斗到时空穿梭机，在它身上似乎只有你想象不到的，没有它做不到的。于是，大家无不为对它着迷神往。但毫无疑问的是，我们并不真的了解黑洞。下面就是关于黑洞你可能不知道的9件事情。

1.黑洞源自恒星

黑洞最常见的出生地位于大质量恒星的核心。它在耗尽氢燃料之后就会坍缩，坍缩会释放出激波，将恒星的外部包层炸飞，变成一颗超新星。因此，当恒星的外部在向外爆发的时候，它的核心却在向内坍缩。

当核心坍缩时，引力就会增大。如果核心的质量足够大（大约3个太阳质量），引力就会变得非常强，使得坍缩核心表面的逃逸速度超过光速。这就意味着没有任何东西能逃离这个天体，即便光也不行，所以它是黑的。

在黑洞周围有一个区域，其中的逃逸速度等于光速，该区域被称为视界。任何发生在视界之内的事件都永远无法被视界之外的人看到。这就是宇宙漏斗的成因。

2.是尺寸令黑洞如此异禀

和通常所想象的不同，黑洞拥有如此怪异特性的原因并不在于它的质量有多大（毕竟比黑洞质量大的天体有的是），而在与它的体积有多小。

也就是说，只有巨大的质量被塞入一个非常小的体积内之后，才能制造出黑洞。那么，到底要多小呢？假设太阳的质量不变，如果要把它变成一个黑洞，那么它的半径就要缩小232,000倍到3千米。

有意思的是，在你把太阳“挤压”成一个黑洞的时候，其外部的引力效应并不会发生改变。也就是说，当你蒙上地球的双眼，她全然不会察觉牵动她运动的是太阳还是黑洞。唯一发生变化的地方在已经变成黑洞的太阳的内部和附近。

3.黑洞内部并非无穷小

黑洞的视界将它的内部与我们可见的宇宙隔绝了开。对于一个由恒星坍缩而来的黑洞而言，在这些恒星物质身上究竟发生了什么？

回答是，我们也许永远也搞不清楚。由于视界的存在，我们无法看到这些坍缩的物质，因为它们所发出的光无法到达我们（黑洞是一个连光都无法逃逸的地方）。不过物理学和数学可以帮助我们，即使它们位于视界的内部。

这些物质会继续坍缩，而引力则会继续增强。越来越小，越来越小，最终它们会坍缩成一个没有维度的几何点。很多书上都这么写，但事情却并不是这样。坍缩的物质会小于一个原子、一个原子核、一个电子，最终抵达“普朗克长度”的大小。在量子力学中，普朗克长度是一个尺度上的极限。对于一个小于这一极限的物体，我们将无法确知它的信息。确切的物理学很复杂，但是即便你能穿透视界进入黑洞内部，只要坍缩的物质达到了这个尺度，你就无法测量它的确切大小。

那么普朗克长度有多小？非常非常小：10-35米。

4.黑洞绝对不是管道状

对于某个物体而言，你所感受到的它的引力取决于两个因素：这个物体的质量和它到你的距离。这意味着，只要到某个物体的距离相同，不同的人所感受到的引力是相同的。如果把所有这些引力相同的点串联起来，就能得到一个引力体位于其中心的球面。

黑洞视界的大小取决于引力，因此视界是一个包裹着黑洞的球面。如果你有办法从外面看到视界，它看上去会像是一个黑色的球面。

有些人把黑洞想象成一个圈或者是管道状的。“管道”是在解释引力对空间的弯曲中经常所用的图释，这时坍缩的3维空间被简化成了2维空间。空间被想象成了一张床单，大质量天体对空间的弯曲就和把一个保龄球放在床单上的效果一样。但空间不是2维，是3维的（如果算上时间就是4维的），因此这个解释就会让人们对黑洞视界的形状产生误解。

5.黑洞会转动

听上去有点奇怪，不过黑洞确实会转动。恒星会自转，它的核心也会转动。当恒星的核心坍缩地越来越小时，它的自转就会越来越快。这就像花样滑冰运动员通过收回张开的手臂来加快自身的转速一样。如果核的质量不足以形成黑洞，它就会形成一颗直径只有几千米的中子星。目前已经发现了数百颗中子星，它们自转的速度非常快，有时甚至可以达到每秒钟100圈。

黑洞也是如此。即便恒星的核心已经收缩到小于视界的大小并且永远和外部的宇宙失去了联系，但它却仍然在转动。问题来了，转动的离心力会使得这些物质无法坍缩到普朗克长度吗？虽然其中的数学计算极为冗长，但回答是肯定的。不过我们永远也无法看到这一切，因为它们发生在视界的内部。

6.黑洞附近事情会变得诡异

黑洞会扭曲时空结构。而如果黑洞拥有自转的话，静止黑洞的球形视界就会被破坏。

这会在视界之外产生一个被称为能层的椭球形区域。如果你处于能层和视界之间的话，你会发现你无法静止了。事实上，这个时候空间会被黑洞拖曳着运动。你可以很容易地沿着黑洞转动的方向运动，但如果你想悬停，那将是不可能的任务。而在能层的内部，空间运动的速度会超过光速！按照爱因斯坦的相对论，虽然物质不可能运动得如此之快，但空间本身却可以。

7.黑洞并不总是黑的

很少有物质会直接掉入黑洞进而消失。稍有偏差，它们就会绕着黑洞转动。随着物质的增多，它们就会在黑洞周围聚集起来。由于在转动，这些物质会形成一个围绕黑洞高速转动的盘，加之黑洞的引力随着距离会变化，因此靠近黑洞的物质其运动的速度要远远超出外围的。这一运动速度上的不一致就会产生剧烈的摩擦，从而使得物质被加热到数百万度的高温，于是黑洞附近的物质就会发出极为明亮的辐射。

更糟糕的是，磁场会驱动物质从中心向垂直于盘的两侧喷出。这两条喷流的发源地就在黑洞的外围，但在几百万甚至数十亿光年之外都能被看见。

连光都无法逃逸的黑洞却通过吞噬物质成为了宇宙中最明亮的天体。

8.黑洞会变大

当两个黑洞碰撞的时候会发生什么？它们会形成一个更大的黑洞。类似地，黑洞吞食其他物质也会长大。在早期宇宙中当星系正在形成时，婴儿星系核心处的物质会坍缩成一个质量极大的黑洞。随着越来越多的物质掉入其中，黑洞会贪婪地消化它们进而生长。最终它会长成一个超大质量黑洞，质量达到太阳的数百万甚至数十亿倍。

不过，就像刚才说的，掉入黑洞的物质会被加热到极高的温度。由此所发出的辐射会把物质向外推，阻止它们下落。随着时间的流逝，停留在黑洞周围的气体和尘埃会形成恒星。但相比于气体，恒星远没有那么容易掉入黑洞。最终由于没有更多的物质落入黑洞，它便停止了生长。

今天，在银河系的中心就有这么一个超大质量黑洞。它的质量是太阳的400万倍，距离太阳26,000光年。

9.黑洞的密度可以堪比空气

对很多人来说，这是非常奇怪且有意思的一点。

随着质量的增大，黑洞的视界也会变大。物理法则告诉我们，黑洞视界的半径和它的质量呈正比。也就是说，如果黑洞的质量增大到原来的2倍，其视界的半径也会增大2倍，它的体积则会增大8倍（前面说了视界是个球面）。我们知道，密度表征了某个给定体积内包含了多少质量的物质。好了，魔术开始了。

拿一个普通的黑洞，它的质量通常为太阳的3倍，视界的半径为9千米，此时它的密度为每立方厘米2千万亿克。但如果你把它的质量翻一倍，其密度就会减少到原来的1/4；质量增大10倍，密度就会减少100倍。对于一个在星系团中常见的、10亿个太阳质量的超大质量黑洞而言，它的密度只有每立方厘米0.001克，和地球上的空气密度一样。

【074、光速正好是30万公里每秒，是巧合还是设计出来的？】

2021-04-12 宇宙时空

在现代物理学上，目前定义的光的速度是299792458米/每秒，每秒30万公里是一个便于我们使用的近似值。这个值是经过数辈科学家几百年的努力精确测量的结果，不是巧合、也不是设计的。

要回答这个问题，我们不妨从光速的测量史说起。光速如此快，因此其测量难度很大，光速的测量经历了辩论期、物理测量法、天文测量法、实验测量法、干涉法几个阶段。

辩论期

早期，人们认为光是瞬时传播的，即光速是无限大的，包括古希腊科学家的鼻祖亚里士多德在内，都认为光的传播是瞬时的，包括一些科学界的大佬开普勒、笛卡尔等，也都认为光速是无限大、不可测的。然而伽利略认为光虽然传播很快，但却是可以测量的。

物理测量法

最初伽利略测量光速，采用了最原始的物理方法，即两人拿灯在两个山头，通过发出光到看到光的时间和山头的距离来计算光的传播速度。结果可想而知，由于光速实在太快了，在两个山头之间传播的时间根本无法确定。但这也开始激起人们对光速探索的兴趣。

天文测量法

17世纪后期，随着天文望远镜的发展，光是否具有速度有了定论。1676年，丹麦天文学家罗麦在观测木星时发现一个有趣的现象：在一年的不同时期，木星的卫星的隐食周期是不同的;地球处于木星和太阳之间时和太阳处于地球和木星之间时，周期相差十四五天。他猜测这种现象是因为光具有速度。此后惠更斯根据罗麦的数据和地球半径计算出光的传播速度为214000千米/秒。

虽然此数据与目前光速的值差别很大，但是这是人类第一次计算出的光速值，具有里程碑意义。

实验测量法

19世纪，科学家开始使用实验对光速进行测量，其思想是将难以测量的光速，通过实验，转化成容易测量的对象进行计算。比较著名的是齿轮测量法。光在光路上传播时，经过两次齿轮的间隙后被人看到，只有在齿轮转速为某个值时，光才可以穿过间隙，这样就把光速的计算，转化成了齿轮转速的计算。后来经过多次改良，这种方法计算的光速为298000千米/秒，误差已经很小了。

干涉法

现代物理学中，使用波长和频率计算光速，计算出真空中的光速值为299792458米/每秒的固定值。通过了解光速的测量历史，我们不得不佩服科学家的智慧，也不由得感慨，科学探索永无止境！

回到题主的问题，光速是一个固定值，是数辈科学家精确测量的结果，既不是设计的、也不是巧合。光总得有一个速度（除非它是无限的），既然有一个速度，我们只需要测量就好了！

【075、恒星死亡现场】

环球科学2016年08月19日

[摘要]每年都有成千上万的恒星以各种匪夷所思的爆炸结束自己的生命，天文学家想了解导致这些恒星毁灭的真正原因。

撰文丹尼尔·卡森（Daniel Kasen）翻译李文雄审校王晓锋

在我们可观测到的宇宙中，几乎每一秒都有一个太阳在恒星灾变过程中毁灭。这些过程包括恒星的脉动、恒星间的碰撞、恒星坍缩成一个黑洞或者以超新星的形式爆炸。宇宙中这些激烈的活动长久以来一直被看似平静的夜空所掩盖，不久前才成为天文学关注的焦点。在近一个世纪的岁月中，科学家孜孜不倦地探索宇宙数十亿年的演化历程，但直至最近我们才得以在天甚至小时的时间尺度上分析天体事件，从而见证恒星变化无常的生死历程。

尽管在过去我们缺乏详细研究这些现象的工具，但关于宇宙中暂现天体的记载至少可以追溯到一千多年前。中国北宋的观测记录显示，1006年天空中出现了一颗“客星”，肉眼可见时间长达数周，此后慢慢变暗。1572年，伟大的天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）也记录下了类似的事件。约30年后，约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）也观测到了此类事件。我们现在知道，这些历史记录中的异常天象其实就是恒星的超新星爆发。超新星在最亮时，光度可以超过太阳的10亿倍以上，但由于到我们的距离过于遥远，它们在我们看来仅仅是微弱的光点，很容易淹没在浩瀚的夜空中。

现代技术正在革新关于动态宇宙的研究。望远镜已经可以自动运行并且配备了高分辨率的数码相机，产生的观测数据再交给计算机图像处理和模式识别软件进行分析。这些设备定期监控着广大的天区，能够敏锐地发现其中任何突然变亮的天体。在过去大概十年间，这些新技术使得天文学家每年发现成千上万的恒星爆发事件，这意味着每周我们新发现的超新星数量都相当于20世纪的总和。

我们不仅发现了更多的超新星，还发现了不可思议的新种类超新星。有些超新星异常明亮，比普通超新星亮100倍；还有一些亮度却仅有普通类型的1%。有一些是深红色的；有一些则主要辐射紫外线。有一些可以维持高亮度长达数年；有的却在几天中昙花一现。由此可见，恒星死亡方式的多样性要远远超出我们之前的认识。

天文学家仍在追寻导致这些奇怪恒星爆发事件的原因。显然，这些爆发现象正在为我们提供重要的线索，帮我们了解恒星的生死历程并研究最极端的温度、密度和引力条件下的物理学。通过研究各种各样的超新星，我们希望最终可以了解是什么使得恒星瓦解并转变为像黑洞这样的恒星遗骸。

超新星也可以在一定程度上帮我们认识自己的起源。宇宙在大爆炸之后几乎仅包含氢和氦这两种最轻的原子。根据现有理论，我们遇到的任何较重的元素，如骨头中的钙、血液中的铁等，都是由超新星制造并释放到宇宙空间中的。科学家过去认为，所有最重的元素都是由普通超新星产生的。但现在，他们发现了太多不正常的超新星，这表明元素周期表不同区域的元素可能有着不同的起源。通过观测大量各种类型的超新星爆发，我们可以逐渐了解构成地球和所有生命的元素是怎样制造出来的。

恒星灾变

要领会新发现的一些超新星有多么奇特，让我们先看看本身就很奇妙的典型超新星。一颗恒星就是一台稳定的核反应堆：一团大质量的等离子体被引力束缚在一起，高压致密的核心通过核聚变为等离子体提供能量。核聚变产生的热提供向外的辐射压力，与向内的引力相抗衡。超新星爆发表示二者的平衡被打破了——引力远远超过了核反应的辐射压力，或者反过来，辐射压力超过了引力。

最典型的超新星爆发出现在中等大小的恒星身上，它们的质量是太阳的10倍或更多。它们在数百万年的生命中，不断地通过核聚变将氢变为重元素。一旦将核心燃烧成了铁（对于核反应来说是无法燃烧的灰烬），聚变就无法持续了。失去了向外的压力，恒星的内核在引力的拉扯下向内坍缩，体积减小到此前的百万分之一，成为了叫做中子星的超高密度天体，在直径仅几千米的范围内容纳了质量超过1个太阳的物质。这个自由落体过程中释放的巨大能量会将恒星的其余部分炸碎。

为了对典型超新星爆发产生的能量有一个直观认识，想象一下我们的太阳在几秒钟内将足够使用超过100亿年的氢元素完全烧光。有一个专门用于计量这种巨大能量的物理单位：1贝特（以诺贝尔奖获得者，美国天体物理学家、核物理学家汉斯·贝特命名）。当一颗超新星爆发时，其内部温度上升至超过28亿摄氏度，会激发超音速的冲击波，所过之处留下一堆刚刚经聚变产生的重元素，如硅、钙、铁，还有镍、钴和钛的放射性同位素。在几分钟之内，恒星土崩瓦解，成为由灰烬和放射性残骸组成的云团，以每小时3200万千米的速度向外扩散，相当于光速的百分之几。

幸运的是，我们的太阳因为太小所以永远不会成为超新星，但如果它成为了超新星，地球接收到的第一个信号将是足以毁灭这个行星上所有生命的短暂而强烈的X射线闪光。在几分钟之内太阳残骸云团的大小会变成太阳此前的两倍，亮度则会增加近1000倍。几个小时后太阳的残骸云就会吞噬地球，一天以后木星和木星也会遭此厄运。几周之后太阳的灰烬就会遍布整个太阳系。到那时候，太阳的残骸云将会变得透明，束缚在其中的光倾泻而出，亮度在顶峰的时候可达到太阳的10亿倍，之后慢慢变暗。

天文学家几乎从来没有观测到超新星的X射线暴，而且我们也很难从历史数据中找到超新星前身恒星的图像。正常情况下我们看到的仅仅是爆炸的余波：膨胀中的巨大云团和持续数周可见的放射性残骸。通过观测这些灰烬，我们试图推理出爆炸之前的恒星是什么类型以及它是如何被摧毁的。

亮得不可思议

在最近发现的奇怪超新星家族的成员中，最引人注目的也许是那些能量最高的爆炸——我称之为超亮超新星（ultranovae），它们的亮度是正常超新星的100倍以上，是目前发现的最亮、最远的超新星，几乎在整个可观测宇宙中都可看见。这种事件是极为罕见的，可能1000次超新星爆发中只有1个这样的例子。天文学家现在还没有确定无疑的证据来解释这些爆发为什么这么亮。但他们提出了三个主要的理论。可能其中的某个理论可以解释大多数甚至所有我们看到的超亮超新星，但更可能的是，三种物理图景都有一定的发生概率。

1）“粒子对”超新星

自然而然地，很多研究者尝试寻找超亮超新星与极大质量恒星的联系。理论表明，非常大的恒星的确是相当脆弱的，容易受到各种不稳定性的影响。尤其是150~200倍太阳质量的恒星，它们的核心会变得非常热，从而会产生一批正反物质粒子对（即电子和正电子）。产生这些粒子需要消耗能量，这会减小恒星向外的压强，使得仍有核燃料可用的核心向内坍缩。这样的后果是灾难性的。核心向内坍缩会加速核聚变过程，使其失去控制，把几乎所有的东西都烧光。大约100贝特的能量瞬间释放出来，会让坍缩过程反转，把恒星彻底爆开，最后任何物质都不会剩下。

这些最猛烈的核爆炸会产生残骸云团，其中的放射性物质比普通超新星的残骸多1000倍。因为这些云团理应质量极大且很不透明，所以光在其中要花一年甚至更长的时间才能逐渐扩散开。因此，我们预期这些爆炸的余晖非常明亮且会持续很久。几个近期发现的超亮超新星确实表现出了这些性质，因此一些天文学家声称，我们已经看到了巨大的恒星死于微观粒子对的肆虐。另外一些天文学家并不认同这一观点，他们认为这些数据用其他的理论可以得到更好的解释。我们希望，未来通过对这些明亮且长时间持续的事件的观测，可以更好地了解恒星残骸云的成分和速度，从而判断这种物理图景是否正确。

2）“假警报”超新星

另一种解释超亮超新星的理论是它们起源于质量稍小的恒星（约70~150个太阳质量）。天文学家认为，和更重的家族成员一样，它们也比较容易受类似的不稳定性的影响，但情况往往不会那么糟。当这类恒星开始收缩，点燃更多的核燃料后，它有可能会反弹、膨胀，并在核聚变失去控制之前使得核反应停止，从而存活下来。但在重新达到平衡状态的过程中，这颗恒星很可能会将很多外层物质吹散，产生一个“冒牌”超新星——一次类似暗弱超新星的爆发，而实际上只是恒星的一次濒死体验。

在这个质量范围内的恒星有可能经历数次这样的劫难，每次丢失掉一些物质，直到最终耗尽了核燃料并像普通超新星一样爆炸。当这样一颗恒星真正死亡的时候，它会把残骸驱散到恒星周围的环境中，而这里已经充满了以前爆发留下来的外壳物质。超新星的残骸与这些外壳物质的剧烈碰撞将会产生极其明亮的恒星焰火，这可以解释一部分超亮超新星。

自动化巡天在近几年记录到了这种大质量恒星晚年的暴躁活动。2009年，天文学家注意到一颗看起来很普通，只是有点暗的超新星。这颗被命名为 SN 2009ip的超新星在几周之后变暗，并很快被人们遗忘了。出乎所有人意料，一年之后在完全相同的位置又出现了一颗暗“超新星”。显然这颗恒星并没有死亡。2012年，天文学家观测到了它的第三次爆发，而仅一个月后又有一次很亮的爆发。

一些科学家相信，倒数第二次爆发意味着这颗恒星真正死亡，而最后最亮的闪光则是超新星的残骸云撞入此前爆发抛出的物质而产生的。另一些科学家则认为这颗恒星依然健在，而且在未来还会用更多的爆发和我们玩捉迷藏。虽然尘埃落定还需要几年的时间，但正像我们设想的那样，我们现在已经看到了大质量恒星生命晚期这种剧烈的不稳定性。

3）“磁性”超新星

最后一种解释超亮超新星的理论认为，造成它们超高亮度的主要原因并不是极大的质量，而是极快的转动。初始质量为10~60倍太阳质量的恒星最可能以超新星的形式结束生命，最终形成中子星。如果一颗这样的恒星原本就转得很快，那么其核心坍缩可以使中子星获得极高的转速，就像一个旋转的滑冰选手收回手臂来加速一样。原则上，一个中子星自转速度可以达到1秒钟1000圈，更快的话，中子星就会在离心力作用下解体了。大质量、快速自转的中子星储存的动能是巨大的，最高可达10贝特。

这些旋转能量是如何为超亮超新星提供能量的呢？中子星拥有可以传递这种能量的强磁场。为了便于理解，想象在你手掌中旋转一个冰箱磁贴。当你这样做的时候，你扭曲了环绕它的磁场。尽管看不见摸不着，但你消耗的一小部分能量已经被用来在空间中产生电磁场的涟漪。我们认为，中子星周围会发生同样的过程，只是规模要大得多。我们能看到的最令人着迷的例子莫过于蟹状星云——一颗1054年就被中国天文学家记载的超新星的遗迹。我们今天所见的蟹状星云发出的光，能量来自一颗旋转的中子星。中子星激发了磁性等离子体的漩涡，这个扭曲的磁场在近1000年的时间里提取中子星的自转能量用来加热周围气体，为照亮美丽的星云提供能量。

大约5年前，我和加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的同事拉尔斯·比尔德斯滕（Lars Bildsten）提出，这个过程的增强版或许可以解释超亮超新星的高光度。这个中子星应该拥有比蟹状星云里的中子星强100~1000倍的磁场，而且以接近解体的极限速度旋转。对于这样一颗星，它的几乎全部旋转能量可以在一个月时间内耗尽，并使得它的超新星残骸云比蟹状星云亮100万倍。尽管这些数字听起来非常极端，但我们已经观测到了一些中子星具有与此相当的磁场（虽然还没有在超新星阶段观测到）。它们被称作磁星（magnetar），拥有宇宙中已知最强的磁场。因此超亮超新星有时可能标志着高速旋转磁星的诞生和快速的减速。

恒星死亡现场

超新星数值模拟展现了一颗恒星爆炸的过程，这种爆炸由中心快速旋转的中子星释放出的巨大磁能驱动。

奇异超新星

与超亮超新星相反的是，天文学家最近也发现了超新星发挥失常的奇怪现象。大视场巡天已经发现了亮度仅有普通超新星1%的奇异超新星。科学家在争论这些暗弱爆发的原因，令人惊讶的是，有人怀疑某些奇异超新星是质量最大的恒星在生命结束时发出的闷响。

失败的超新星现在我们还不清楚一颗恒星最多能有多大质量，但比较令人信服的区间大概是300~1000倍太阳质量（更大质量的恒星可能因为产生粒子对而爆炸）。你或许认为这些庞然大物会产生最壮观的超新星爆发。但实际上它们产生的往往都是哑弹。这样一颗恒星的引力太强，一旦变得不稳定，彻底坍缩将无法避免。坍缩在时空中撕开一个空洞，形成了一个比中子星更为致密的天体：黑洞。

理论模型显示，这样的恒星的主体会被黑洞吞噬，从而突然从视野中消失。这种理论上可能存在的扫兴事件被称为失败超新星（unnovae）。自动巡天寻找这类超新星的方法与寻找正常超新星相反，不是搜寻天空中突然的亮光，而是寻找一瞬间消失的亮星。

尽管它们没能制造出一次大爆炸，但这类形成黑洞的恒星可能至少会发出一声低鸣。这些恒星的核心被氢元素组成的稀薄气体包围。当恒星的主体被吸入黑洞的视界，这团气体可能被加热、吹散，发出微光。颇为讽刺的是，一颗非常大的恒星死亡时却只能产生一颗非常暗弱的超新星。

碰撞的中子星还有一些低光度爆发可能来源于另一种极端情况：两颗中子星的碰撞。大质量恒星经常成对出现，互相绕转。两颗恒星会先后发生超新星爆发，如果二者没有在这些过程中分开，就会留下两个中子星构成的双星系统（或者一个中子星一个黑洞抑或两个黑洞）。随着时间推移，两个致密天体旋转半径越来越小，最终碰撞、合并成为一个更大的黑洞。最近，科学家发现了两个黑洞并合放出的引力波，从而证实这一过程的确存在。计算表明，当中子星合并时，极端的引力（大约是地球施加于人体引力的100亿倍）足以将恒星99%的物质都吸入新形成的黑洞里，而恒星表面1%的物质则被剥离下来，留在宇宙空间中。

这些逃出黑洞的一小部分物质很可能是一些奇怪的东西，是游离的粒子组成的蒸汽海洋，大部分是中子，还有一些质子和电子。随着气体弥散开来，这些粒子开始结合为更重的原子核。质子因为带有正电荷所以会相互排斥，但中子是电中性的所以更容易和其他粒子结合。通过逐渐增加中子，原子核变得越来越重，产生一系列元素周期表下半区的元素，例如金、铂和汞，与各种放射性产物如铀、钍混合在一起。科学家认为，中子星碰撞是宇宙中为数不多的生成这些重元素的场所。

丰富的放射性物质会使得这团残骸云像一颗超新星一样发光。但因为质量比较小（不到真正超新星的1%），我们预期它的亮度仅是普通超新星的1%，而且只能持续几天。最近我和我在加利福尼亚大学伯克利分校指导的研究生珍妮弗·巴恩斯（Jennifer Barnes）的理论工作表明，这种云团奇异的重金属组分会使得它们发出特定颜色的光，不是深红就是红外。这种现象被称作千倍新星（kilonova）。

近期，天文学家可能第一次在中子星碰撞过程中看到了这种放射性红色“烟雾”。2013年6月，一个短暂的伽马射线暴引起了天文学家的注意，这可能是一次近邻中子星的并合现象。他们将哈勃空间望远镜指向了那个区域，并捕捉到了短暂的红外亮光。几周之后，亮光便消失了。取得的数据虽然很少，但与理论预言的千倍新星理应具备的特点一致。如果这次事件确实是千倍新星，那这就是我们第一次直接看到贵重金属的产生过程。我们想观测更多此类事件，更好地确认这些爆炸合成的重金属数量，从而判断它们是生成了宇宙中所有的金、铂和其他重元素，还是仅仅贡献了一部分。

混沌的宇宙

我们对动态宇宙的研究刚刚拉开序幕。在未来10年左右的时间内，将出现一批能够在几天内扫描大部分天区的新型自动望远镜，包括建于美国圣迭戈附近，即将投入使用的兹维基瞬变巡天装置；还有位于智利，正在建设中的大型综合巡天望远镜以及NASA计划发射到太空的宽视场红外巡天望远镜。这些项目将会让我们发现的超新星增加数百倍。同时，先进的超级计算机将会有能力构建这些事件的精细三维数值模拟，使我们可以看到这些爆炸恒星核心深处可能发生的事情。

未来几年收集的数据将会检验我们用来解释恒星死亡的诸多理论。本文介绍的每种图景都在物理上说得通，但没有被证实。通过观测更多的异常超新星，我们希望能够确定这些可能的爆炸方式有哪些是真正存在的。其实最有可能的是，宇宙比我们想象的要奇怪得多，将会展现出我们现在做梦都想不到的更奇怪的现象。

最终，我们将会更详细地了解构成了我们身体和周围世界的物质的故事。举例来说，你手指上的金戒指，其历史可以追溯到人类祖先之前。这些物质一开始很可能是在一颗大质量恒星坍缩并被压缩成致密的中子星时，诞生于它的铁核熔炉中。很久以后，也许要过10亿年，这颗中子星可能撞上了另一颗致密星，将放射性产物组成的云团抛洒到宇宙空间中。云团以每小时近1亿千米的速度在星系中穿行超过1000光年，并在途中混合了其他气体，直到最终融入了地球的地壳。过了一段时间，有人拾起遥远恒星的馈赠，将其打造成一枚金戒指并开始讲述他们自己的故事。

【076、红移】

红移（red-shift）在物理学和天文学领域，指物体的电磁辐射由于某种原因频率降低的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。红移的现象目前多用于天体的移动及规律的预测上。红移别名多普勒红移，引力红移，宇宙学红移适用领域物理学，天文学应用学科。

简介

红移在物理学和天文学领域，指物体的电磁辐射由于某种原因频率降低的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。红移的现象目前多用于天体的移动及规律的预测上。

红移最初是在人们熟悉的可见光波段发现的，随着对电磁波谱各个波段的了解逐步深入，任何电磁辐射的频率降低都可以称为红移。对于频率较高的γ射线、X-射线和紫外线等波段，频率降低确实是波谱向红光移动，“红移”的命名并无问题；而对于频率较低的红外线、微波和无线电波等波段，尽管频率降低实际上是远离红光波段，这种现象还是被称为“红移”。

当光源远离观测者运动时，观测者观察到的电磁波谱会发生红移，这类似于声波因为多普勒效应造成的频率变化。这样的红移现象在日常生活中有很多应用，例如多普勒雷达、雷达枪，在分光学上，人们使用多普勒红移测量天体的运动。这种多普勒红移的现象最早是在19世纪所预测并观察到的，当时的部分科学家认为光的本质是一种波。另一种红移机制被用于解释在遥远的星系、类星体，星系间的气体云的光谱中观察到的红移现象。红移增加的比例与距离成正比。这种关系为宇宙在膨胀的观点提供了有力的支持，比如大爆炸宇宙模型。

当光源移动远离观测者时，观测者观察到的电磁波谱会发生红移，这类似于声波因为多普勒效应造成的频率变化。这样的红移现象在日常生活中有很多应用，例如多普勒雷达、雷达枪，在天体光谱学里，人们使用多普勒红移测量天体的物理行为。

另一种红移称为宇宙学红移，其机制为空间的度规膨胀。这机制说明了在遥远的星系、类星体，星系间的气体云的光谱中观察到的红移现象，其红移增加的比例与距离成正比。这种关系为宇宙膨胀的观点提供了有力的支持，比如大爆炸宇宙模型。

另一种形式的红移是引力红移，其为一种相对论性效应，当电磁辐射传播远离引力场时会观测到这种效应；反过来说，当电磁辐射传播接近引力场时会观测到引力蓝移，其波长变短、频率升高。

红移的大小由“红移值”衡量，红移值用Z表示，定义为：这里是谱线原先的频率，是观测到的频率，是谱线原先的波长，是观测到的波长。

类别

红移有3种：多普勒红移（由于辐射源在固定的空间中远离我们所造成的）、引力红移（由于光子摆脱引力场向外辐射所造成的）和宇宙学红移（由于宇宙空间自身的膨胀所造成的）。对于不同的研究对象，牵涉到不同的红移。

1.由于多普勒效应，从离开我们而去的恒星发出的光线的光谱向红光光谱方向移动。

2.一个天体的光谱向低频（红）端的位移。天体的光或者其它电磁辐射可能由于运动、引力效应等被拉伸而使频率降低。因为红光的频率比蓝光的低，所以这种拉伸对光学波段光谱特征的影响是将它们移向光谱的红端，于是这些过程被称为红移。

3.在高光谱遥感领域的红移。在植被的光谱曲线中，遭胁迫的植物的红-红外透射曲线向更低频率方向移动（Cibula和Carter， 1992）的现象称为“红端偏移”简称“红移”

简单的说，就是拐点向低频方向移动（如图3曲线）。

引力红移，是强引力场中天体发射的电磁波频率降低的现象。由广义相对论可推知，当从远离引力场的地方观测时，处在引力场中的辐射源发射出来的谱线，其频率会降低一些，也就是红移。只有在引力场特别强的情况下，引力造成的红移量才能被检测出来。引力红移现象首先在引力场很强的白矮星（因为白矮星表面的引力较强）上检测出来。二十世纪六十年代，庞德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡尔效应的实验方法，测量由地面上高度相差22.6米的两点之间引力势的微小差别所造成的谱线频率的移动，定量地验证了引力红移。结果表明实验值与理论值完全符合！

区别

多普勒红移

物体和观察者之间的相对运动可以导致红移，与此相对应的红移称为多普勒红移，是由多普勒效应引起的。

通常引力红移都比较小，只有在中子星或者黑洞周围这一效应才会比较大。对于遥远的星系来说，宇宙学红移是很容易区别的，但是在星系随着空间膨胀远离我们的时候，由于其自身的运动，在宇宙学红移中也会参杂进多普勒红移。

引力红移

根据广义相对论，光从重力场中发射出来时也会发生红移的现象。这种红移称为重力红移。

一般说来，为了从其他红移中区别引力红移，你可以将这个天体的大小与这个天体质量相同的黑洞的大小进行比较。类似星云和星系这样的天体，它们的半径是相同质量黑洞半径的千亿倍，因此其红移的量级也大约是静止频率的千亿分之一。对于普通的恒星而言，它们的半径是同质量黑洞半径的十万倍左右，这已经接近光谱观测分辨率的极限了。中子星和白矮星的半径大约是同质量黑洞半径的10和3000倍，其引力红移的量级可以达到静止频率的1/10和1/1000。

宇宙学红移

20世纪初，美国天文学家埃德温·哈勃发现，观测到的绝大多数星系的光谱线存在红移现象。这是由于宇宙空间在膨胀，使天体发出的光波被拉长，频率降低，谱线因此“变红”，这称为宇宙学红移，并由此得到哈勃定律。20世纪60年代发现了一类具有极高红移值的天体——类星体，成为近代天文学中非常活跃的研究领域。

宇宙学红移在100个百万秒差距的尺度上是非常明显的。但是对于比较近的星系，由于星系本身在星系团中的运动所造成的多普勒红移和宇宙学红移的量级差不多，你必须仔细的别开这两者。通常星系在星系团中的速度为3000km/s，这大约与在5个百万秒差距处的星系的退行速度相当。

发展历程

这个主题的发展开始于19世纪对波动力学现象的探索，因而连结到了多普勒效应。

稍后，因为克里斯琴·安德烈·多普勒在1842年对这种现象提出了物理学上的解释，而被称为多普勒效应。他的假说在1845年被荷兰的科学家Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot用声波做实验而获得证实。多普勒预言这种现象可以应用在所有的波上，并且指出恒星的颜色不同可能是由于它们相对于地球的运动速度不同而引起的。后来这个推论被否认。恒星呈现不同的颜色是因为温度不同，而不是运动速度不同。

多普勒红移是法国物理学家斐索在1848年首先发现的，他指出恒星谱线位置的移动是由于多普勒效应，因此也称为“多普勒-斐索效应”。1868年，英国天文学家威廉·哈金斯首次测出了恒星相对于地球的运动速度。

在1871年，利用太阳的自转测出在可见光太阳光谱的夫朗和斐谱线在红光有0.1埃的位移。在1901年，Aristarkh Belopolsky在实验室中利用转动的镜片证明了可见光的红移。

在1912年开始的观测，VestoSlipher发现绝大多数的螺旋星云都有不可忽视的红移。然后，哈勃定律。这些观察在今天被认为是造成宇宙膨胀大霹雳理论的强而有力证据。

机制原理编辑

一个光子在真空中传播可以有几种不同的红移机制，每一种机制都能产生类似多普勒红移的现象，意谓着是与频率无关的。这些机制分别使用伽利略、洛伦兹、或相对论转换在各个参考架构之间来比较。

红移型式

转换的架构

所在度规

多普勒红移

伽利略转换

欧几里得度规

相对论的多普勒

洛伦兹转换

闵可夫斯基度规

宇宙论的红移

广义相对论转换

FRW度规

重力红移

广义相对论转换

史瓦西度规

多普勒效应

如果一个光源是远离观测者而去，那么会发生红移(z>0)，当然，如果光源是朝向观测者移动，便会产生蓝移（z<0）。这对所有的电磁波都适用，而且可以用多普勒效应解释。当然的结果是，这种形式的红移被称为多普勒红移。

多普勒公式

相对论的多普勒效应更完整的多普勒红移需要考虑相对论的效应，特别是在速度接近光速的情况下。简单的说，物体的运动接近光速时需要将狭义相对论介绍的时间扩张因素罗伦兹转换因子γ引入古典的多普勒公式中，改正后的形式如下：

这种现象最早是在1938年赫伯特E艾凡斯和GR.史迪威进行的实验中被观察到的，称为艾凡斯-史迪威实验。

由于罗伦兹因子只与速度的量值有关，这使得红移与相对论的相关只独立的与来源的运动取向有关。在对照时，古典这一部分的形式只与来源的运动投影在视线方向上的分量有关，因此在不同的方向上会得到不同的结果。同样的，一个运动方向与观测者之间有θ的角度（正对着观测者时角度为0）。

在特殊的状况下，运动源与测器成直角（θ=90°），相对性的红移为横向红移，被测量到的红移，会使观测者认为物体没有移动。即时来源是朝向观测者运动，如果有横向的分量，那么在这个方向上的速度可以扩张到抵消预期中的蓝移，而且如果速度更高的还会使接近的来源呈现红移。

膨胀的宇宙

在20世纪初期，史立佛、哈勃和其他人，首度测量到银河系之外星系的红移和蓝移，它们起初很单纯的解释是多普勒效应造成的红移和蓝移，但是稍后哈柏发现距离和红移之间有着粗略的关联性，距离越远红移的量也越大。理论学者几乎立刻意识到这些观察到的红移可以用另一个不同的机制来解释，哈柏定律就是红移和距离之间交互作用的关联性，需要使用广义相对论空间尺度扩张的宇宙论模型来解释。结果是，光子在通过扩张的空间时被延展，产生了宇宙学红移。这与多普勒效应所描述的因速度增加所产生的红移不同（这是罗伦兹转换），在光源和观测者之间不是因为动量和能量的转换，取代的是光子因为经过膨胀的空间使频率降低而红移。这种效应在现代的宇宙论模型中被解释为可以观测到与时间相关联的宇宙尺度因次（a），如下的形式：

这种型态的红移称为宇宙学红移或哈勃红移。如果宇宙是收缩而不是膨胀，我们将观测到星系以相同比例的蓝移取代红移。这些星系不是以实际的速度远离观测者而去，取代的是在其间的空间延展，这造成了大尺度下宇宙论原则所需要的各向同性的现象。在宇宙学红移z<0.1的情况下，时空扩展的作用对星系所造成的独特效应与被观察到的红移，相对于多普勒效应的红移和蓝移是极微小的。实际的速度和空间膨胀的之间的区别在膨胀的橡皮板宇宙有清楚的说明，一般的宇宙学也曾经描述过类似的空间扩展。如果以滚珠轴承来代表两个物体，以有弹性的橡皮垫代表时空，多普勒效应是轴承横越过橡皮垫产生的独特运动，宇宙学红移则是橡皮垫向下沉陷的柱状体的沉陷量。（很明显的在模型上会有维度的问题，当轴承滚动时应该是在橡皮垫上，而如果两个物体的距离够远时宇宙学红移的速度会大于多普勒效应的速度。）

尽管速度是由分别由多普勒红移和宇宙学红移共同造成的，天文学家（特别是专业的）有时会以“退行速度”来取代在膨胀宇宙中遥远的星系的红移，即使很明显的只是视觉上的退行。影响所及，在大众化的讲述中经常会以“多普勒红移”而不是“宇宙学红移”来描述受到时空扩张影响下的星系运动，而不会注意到在使用相对论的场合下计算的“宇宙学退行速度”不会与多普勒效应的速度相同。明确的说，多普勒红移只适用于狭义相对论，因此v>c是不可能的；而相对的，在宇宙学红移中v>c是可能的，因为空间会使物体（例如，从地球观察类星体）远离的速度超过光速。更精确的，“遥远的星系退行”的观点和“空间在星系之间扩展”的观点可以通过坐标系统的转换来连系。要精确的表达必须要使用数学的罗伯逊-沃克度量。

重力红移

在广义相对论的理论中，重力会造成时间的膨胀，这就是所谓的重力红移或是爱因斯坦位移。这个作用的理论推导从爱因斯坦方程式的施瓦氏解，以一颗光子在不带电、不转动、球对称质量的重力场运动，产生的红移。

·G是重力常数，

·M是创造出重力场的质量，

·r是观测者的径向坐标（这类似于传统中由中心至观测者的距离，但实际是施瓦氏坐标）

·c是光速。

重力红移的结果可以从狭义相对论和等效原理导出，并不需要完整的广义相对论。

在地球上这种效应非常小，但是经由莫士包耳效应依然可以测量出来，并且在Pound-Rebkaexperiment中首次得到验证。然而，在黑洞附近就很显著，当一个物体接近事件视界时，红移将变成无限大，他也是在宇宙微波背景辐射中造成大角度尺度温度扰动的主要角色。

测量方法

红移可以经由单一光源的光谱进行测量。如果在光谱中有一些特征，可以是吸收线、发射线、或是其他在光密度上的变化，那么原则上红移就可以测量。这需要一个有相似特征的光谱来做比较，例如，原子中的氢，当它发出光线时，有明确的特征谱线，一系列的特色谱线都有一定间隔的。如果有这种特性的谱线型态但在不同的频率上被比对出来，那么这个物体的红移就能测量了。因此，测量一个物体的红移，只需要频率或是波长的范围。只观察到一些孤立的特征，或是没有特征的光谱，或是白噪音（一种相当无序杂乱的波），是无法计算红移的。

红移（和蓝移）可能会在天体被观测的和辐射的频率（或波长）而带有不同的变化特征，天文学习惯使用无因次的数量z来表示。

在z被测量后，红移和蓝移的差别只是间单的正负号的区别。依据下一章节的机制，无论被观察到的是红移或蓝移，都有一些基本的说明。例如，多普勒效应的蓝移（z0），就会联想到物体远离观测者而去并且能量减少。同样的，爱因斯坦效应的蓝移可以联想到光线进入强引力场，而爱因斯坦效应的红移是离开引力场。

观测方法

在天文观测中可以测量到红移，因为原子的发射光谱和吸收光谱，与在地球上的实验室内的分光仪校准好的光谱比较时，是非常的明显。当从同一个天体上测量到各种不同的吸收和发射谱线时，z被发现是一个常数。虽然来自遥远天体的谱线可能会被污染，并且有轻微的变宽，但并不能够用热力学或机械的行为来解释。基于这些和其他的理由，公众的舆论已经将天文学上观测到的红移认定是三种类似的多普勒红移之一，而没有任何一种假说能如此的振振有词。

光谱学，用在测量上，比只要简单的通过特定的滤光器来测定天体亮度的光度学要困难。当测光时，可以利用所有的数据（例如，哈柏深空视场和哈柏超深空视场），天文学家依靠的是红移测光的技术，由于滤光器在某些频率的范围内非常灵敏，依靠这样的技术可以假定许多光谱的本质隐藏在光源之内，观测误差可以δz=0.5为级距来排序，并且比分光镜的更为可靠许多。然而，光度学无法考虑到红移的定性描述。例如，一个与太阳相似的光谱，但红移z=1，最为明亮的是在红外线的区域，而非以黄-绿为尖峰的黑体光谱，并且光的强度在经过滤光器时将减少二级（1+z）。

在本地群的观测

使用SOHO卫星的LASCOC1摄影机观测到的太阳日冕。这张图片是以铁XIV的5308埃谱线经都普勒仪观察日冕中的电浆接近与远离卫星的速度，转移成不同色码的一幅假色图。在附近的目标（在我们的银河系内的天体）观测到的红移几乎都与相对于视线方向上的速度有关。观察这样的红移和蓝移，让天文学家可以测量速度和分光星的参考质量。这种方法是英国天文学家威廉·哈金斯在1868年最先采用的。相同的，从光谱仪中对单独的一颗恒星所测得的微量的红移和蓝移是天文学家检测是否有行星系环绕着恒星的诊断和测量的方法之一。对红移更精确的测量被应用于日震学上，藉以精确的测量太阳光球的运动。红移也被应用于第一次的行星自转速率的测量、星际云的速度、星系的自转，还有吸积的动力学呈现在中子星和黑洞的多普勒和重力红移。

另外，还有各种不同辐射和吸收的温度造成的多普勒致宽-对单一的吸收或辐射谱线造成的红移和蓝移的效应。测量来自不同方向的氢线21公分波的扩展和转移，天文学家能测量出星际气体的退行速度，揭露出我们银河系的自转曲线。相同的测量也被应用在其他的星系，例如仙女座星系。做为一种诊断的工具，红移测量在天文学的分光学中是最重要的工具之一。

外星系的观察

宇宙中合于哈勃定律的天体距离越远就有越大的红移，因此被观测到有最大红移，对应于最遥远的距离也有最长的回应时间的天体是宇宙微波背景辐射，红移的数值高达z=1089（z=0相当于现在的时间），在宇宙年龄为137亿年的状态下，相当于大爆炸之后379000年的时间。核心像点光源的类星体是“红移”（z>0.1）最高的天体，是在望远镜改善之前，除了星系之外还能被发现的其他高红移天体。被发现红移最高的类星体是z=6.4，被证实红移最高的星系是z=7.0在尚未经确认的报告中显示，透过重力透镜观测到的遥远星系集团有红移高达z=10的星系。

对比本星系群遥远，但仍在室女座星系团附近，距离为10亿秒差距左右的星系，红移与星系的距离是近似成比例的，这种关系最早是由哈柏发现的，也就是众所皆知的哈勃定律。星系红移最早是VestoSlipher大约在1912年发现的，而哈柏结合了Slipher的测量成为度量天体距离的另一种方法-哈柏定律。在建基于广义相对论下被广泛接受的宇宙模型中，红移是空间扩展的主要结果：这意味着遥远的星系都离我们而去，光离开星系越久，空间的扩展也越多，所以光也就被延伸越多，红移的值也就越大，所以越远的看起来就移动的越快。哈柏定律一样适用哥白尼原则，由于我们通常不知道天体有多明亮，测量红移会比直接测量距离容易，所以使用哈柏定律就可以得知天体大略的距离。

星系之间的和星系团的重力交互作用在正常的哈柏图上导致值得注意的消散，星系的本动速度和在宇宙中的维理天体的迷踪质量相叠加，这种作用导致在附近的星系（像仙女座星系）显示出蓝移的现象，并且向共同的重心接近，同时星系团的红移图像上帝的手指在作用使本动速度的消散大致成球型的分布。这个增加的组合给了宇宙学家一个单独测量质量的质光比（以太阳的质量和光为单位的星系的质量与光度比值），是寻找暗物质的重要工具。

对更遥远的星系，目前的距离和红移之间的关连性变得更为复杂。当你看见一个遥远的星系，也就是看见相当久远之前的星系，而那时的宇宙和现在是不同的。在那些早期的时刻，我们期待在俇展的速率上有所不同，原因至少有二个：

星系之间相互的重力吸引会减缓宇宙的扩张行动，

可能存在的宇宙常数或第五元素与可能会改变宇宙扩张的速率。

最近的观测却建议宇宙的扩张不仅没有如同第一点的预测减速，反而在加速中。这是广泛的，虽然不是相当普遍的，相信这是因为有暗物质在控制着宇宙的发展。这样的宇宙常数暗示宇宙的最后命运不是大挤压，反而可预见宇宙将长久存在。（可是在宇宙内多数的物理程序仍然朝向热死亡。）

扩张的宇宙是大霹雳理论的中心预言，如果往前追溯，理论预测"奇点"的存在，而那时的宇宙有无限大的密度；广义相对论的理论，大霹雳的理论依据，将不再能适用。最有可能取代的理论据信是尚未成熟的量子重力学，能在密度变得无穷大之前继续适用。

红移巡天

在先进的自动化望远镜和改良的光谱仪合作之下，以一定数量星空的红移当成宇宙的投影，通过红移与角度位置数据的结合，红移巡天图可以显示天空中一定范围内物质的立体分布状态。这些观测被用来研究宇宙的宇宙的大尺度结构，长城、许多广达5亿光年的超星系团，红移巡天的检测提供了戏剧性的大尺度构造的例子。

第一次红移巡天是CfA红移巡天，开始于1977年，至1982年完成最初的资料蒐集。最近的有2度视场星系红移巡天，测量宇宙在一个部份的大尺度结构，量测了22万个星系的z值，最后的结果已经在2003年6月释出。（除了描绘星系在大尺度的模型，2度视场也可以估计微中子质量的上限。）其他值得重视的研究还有史隆数位巡天（SDSS），在2005年仍在继续进行中，目标瞄准在观测一亿个天体。SDSS已经观测到红移高达0.4的星系和红移超过z=6的类星体。深度2红移巡天使用凯克望远镜和新的“DEIMOS”光谱仪，是深度1计划的延续。深度2是设计来研究红移0.7或更高的黯淡星系，因此可以填补SDSS和2df计划的不足。

沃尔夫效应

在辐射转换和物理光学的主题中会总结电磁辐射中频率和波长转换可能发生的现象和交互作用导致位移的结果。在这些情况下位移和物理上对应的能量转移到物质或其他的光子，而不是归结于参考坐标系的转变之间。这些转移可以归结于凝聚作用（参见沃尔夫效应）或是来自于基本粒子、微粒物质、或来自波动的电介质媒介被充电，导致电磁辐射的散射。当这些现象对应于“红移”或“蓝移”的现象时，是物理的电磁辐射场本身的交互作用或是介入（干预）的物质来自参考坐标系效应的现象。在天文物理，质-光交互作用的结果在辐射场的能量的迁移上通常是红化而不是红移，而这个项目通常是保留在前面的效应中讨论的。

在许多情况下散射会导致辐射的红化，因为熵会使光子趋向最低能量而减少高能的光子(总能量守恒)。除了在小心控制的情况下，散射不会在同一个变化中横跨整个光谱，换言之，任何一个频率上计算得到的z只是一个对应于频率的函数，而且，来自介质的随机散射通常可能发生在任何的角度上，而z又是一个散射角的函数。如果多次的散射发生，或是散射的粒子在相对的运动中，那么通常都会造成谱线的畸变。

在恒星际天文学，可见光谱会因为穿过星际物质的散射过程出现星际红化—类似于在日出或日落时大气层造成太阳光偏红和天空是蓝色的瑞利散射。这种明显的转移成红色的现象，是因为谱线中的红色部分没有被转移成其他的频率，以及额外的黯淡和畸变结合，这些现象使光子在视线中出现或消失。

【077、类星体（类似恒星的天体）】

类星体，天文学名词，是类似恒星天体的简称，又称为似星体、魁霎或类星射电源，与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一道并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。长期以来，它总是让天文学家感到困惑不解。

类星体是人类观测到的非常遥远的天体，高红移的类星体距离地球可达到100亿光年以上。类星体是一种在极其遥远距离外观测到的高光度天体，80%以上的类星体是射电宁静的。类星体比星系小很多，但是释放的能量却是星系的千倍以上，类星体的超常亮度使其光能在100亿光年以外的距离处被观测到。

据推测，在100亿年前，类星体数量更多。类星体是一类离地球最远、能量最高的活动星系核。类星体与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一度被称为20世纪60年代天文学“四大发现”。外文名quasar，别名似星体、魁霎、类星射电源，发现时间1960年。

发现历程

1960年，美国天文学家艾伦·桑德奇用一台5米口径的光学望远镜找到了剑桥射电源第三星表上第48号天体（3C 48）的光学对应体。他发现3C 48的光谱中，在一个奇怪的位置上有一些又宽又亮的发射线。之后，人们对剑桥第三电波星表中（3C）一些不知意义、模糊的无线电波源，陆陆续续有下列的发现：

①它们的光学体很小（光学直径<1"），和恒星很难区别：从帕罗马天文台5m望远镜所拍照片中显示，它和恒星一样，都只是一个光点。

②它们有极亮(非比寻常的亮)的表面：在可见光及无线电波波段都有此特性。

氢原子光谱

④它们的光谱是连续光谱及强烈的发射谱线。

在1962/63年，由 M.Schmidt 测出这和那些已知的电波星系光谱相同。事实上，测得的光谱主要有三部分：由同步辐射造成的非热性连续光谱；吸积作用造成极明亮的发射谱线；星际介质造成的吸收谱线。它们的光谱呈现巨大的红位移量（位移指数Z=△λ/λ）。因此由哈勃定律推论，它们是极远的蓝色星系，可见光绝对亮度超过一般正常星系的100倍，而电波强度和CygA星系相当。

到此阶段的探查将之冠上类星体Quasar之名（或谓类星电波源 Quasistellar Radio Source）。

1963年荷兰裔美国天文学家马丁·施密特发现在3C 273的光谱中具有与3C 48类似的现象，他发现这些发射线实际上是人们早已熟知的氢的发射线，只不过朝着红光的方向移动了相当长的一段距离，也就是说它们具有非常大的红移，使得谱线不易证认。循着红移这条线索，再去分析3C 48的光谱，得出它的红移量还要更大。

类星体巨大的能量

设想红移产生于宇宙空间膨胀效应，那么3C 273和3C 48都有很大的退行速度，分别达光速的1/6和1/3。对于这种在光学照片上的形态像恒星，但是其本质又迥然不同的天体，天文学家把它们命名为类星射电源。由于在光学望远镜中观察，类星体与普通的恒星看上去似乎没有区别。

1965年 A.Sandage 发现许多类星体，它们的光学性质和类星电波源相同；都有紧密的结构，极亮的表面及蓝的颜色；但它们却没有辐射无线电波（或许太微弱，而没被探测到）。它们的形态也很像恒星，而且也有很大的红移，但是没有射电辐射，被称为射电宁静类星体。

因此可将它们分为两类：

类星电波源QSR's：能用光学及电波段测出，这类比较少，占类星体总数的1/20。

类星体QSO's（或称电波宁静类星体）：电波较弱，只能以光学测出。

类星体代表的是同一种天体，只不过有的电波辐射强度不同；科学家相信，具有强烈电波辐射的类星体可能是类星体“一生”中处于短暂的“发高烧”阶段的产物。因此，称之为类星电波源（quasars）或类星体（quasistellar objects）都可以；有必要时，再注意它有没有辐射电波即可。在可见光及电波波段的天空搜寻中，数千个类星体已被发现；例如 M.P. Veron-Cetty 及 P.Veron（1989）作的星表目录中有4,170个类星体，A.Hewit t和 G.Burbidge（1987）所出星表中3,570个附有红移资料的类星体。

2011年11月8日，借助哈勃空间望远镜，天文学家们首次拍摄到围绕遥远黑洞存在的盘状构造。

2013年1月自斯隆数字巡天项目的数据，一个国际天文学家小组发现一个创纪录的类星体集群结构，其延伸超过40亿光年。所谓类星体即一类年轻的活动星系。该项研究的第一作者，英国中央兰开夏大学天文学家罗杰·克洛斯(Roger Clowes)表示：“这项发现很大程度上是一个惊喜，因为它着实突破了我们所知晓的宇宙中最大结构的尺度。”相比之下，我们所在的银河系直径不过仅有数十万光年，而银河系所处的上一级结构，即室女星系团，其延伸也仅有数亿光年而已。

2015年03月03日，中国天文学家为主的科研团队发现了一颗距离地球128亿光年、430万亿倍太阳光度、中心黑洞质量约为120亿个太阳质量的超亮类星体。这是人类目前已观测到的遥远宇宙中发光最亮、中心黑洞质量最大的类星体。

2015年5月，据国外媒体报道，借助位于夏威夷的凯克天文台，马克斯·普朗克天文研究所的天文学家于第一次发现了4个类星体齐聚的场景，这4个活跃的黑洞彼此距离非常接近。该研究团队由天文学家约瑟·汉纳威(Joseph Hennawi)领导。据介绍，这4个类星体位于遥远宇宙空间的一个超大质量结构中，环绕其周围的是一个巨大的由冷却密集气体组成的星云。由于这种现象出现的概率只有千万分之一，宇宙学家或许需要重新考虑类星体演化的模型，以及超大质量结构如何形成的问题。有关的研究结果发表在2015年5月15日的《科学》(Science)杂志上。

命名

灰尘环绕的类星体被发现

20世纪六十年代，天文学家在茫茫星海中发现了一种奇特的天体，从照片看来如恒星但肯定不是恒星，光谱似行星状星云但又不是星云，发出的射电(即无线电波)如星系又不是星系，因此称它为“类星体”。

类星体的发现，与宇宙微波背景辐射、脉冲星、星际分子并列为20世纪60年代天文学四大发现。

1960年天文学家们发现了射电源3C 48的光学对应体是一个视星等为16等的恒星状天体，周围有很暗的星云状物质。令人不解的是光谱中有几条完全陌生的谱线。

1962年，又发现了在射电源3C 273的位置上有一颗13等的“恒星”。使天文学家同样困惑的是其光谱中的谱线也不寻常。

特征介绍

类星体明亮的光线——类星体是1963年被发现的一类特殊天体。它们因看起来是“类似恒星的天体”而得名，而实际上却是银河系外能量巨大的遥远天体，其中心是猛烈吞噬周围物质的、在千万太阳质量以上的超大质量黑洞。这些黑洞虽然自身不发光，但由于其强大的引力，周围物质在快速落向黑洞的过程中以类似“摩擦生热”的方式释放出巨大的能量，使得类星体成为宇宙中最耀眼的天体。天文学家通过大型巡天已经发现了20多万颗类星体，然而其中距离超过127亿光年的类星体只有40个左右。

类星体的显著特点是具有很大的红移，表示它正以飞快的速度在向地球远离。类星体离地球很远，大约在100亿光年以外，可能是目前所发现最遥远的天体，天文学家能看到类星体，是因为它们以光、无线电波或x射线的形式发射出巨大的能量。

① 类星体在照相底片上具有类似恒星的像，这意味着它们的角直径小于1″。极少数类星体有微弱的星云状包层，如3C48。还有些类星体有喷流状结构。

类星体

② 类星体光谱中有许多强而宽的发射线，包括容许谱线和禁线。最经常出现的是氢、氧、碳、镁等元素的谱线，氦线非常弱或者不出现，这只能用氦的低丰度来解释。普遍认为，类星体的发射线产生于一个气体包层，产生的过程与一般的气体星云类似。类星体的发射线很宽，说明气体包层中一定存在猛烈的湍流运动。有些类星体的光谱中有很锐的吸收线，说明产生吸收线的区域里湍流运动的速度很小。

③ 类星体发出很强的紫外辐射，因此，颜色显得很蓝。光学波段连续光谱的能量分布呈幂律谱形式，为辐射强度，v为频率，α为谱指数，常大于零。光学辐射是偏振的，具有非热辐射性质（见热辐射和非热辐射）。另外，类星体的红外辐射也非常强。

④ 类星射电源发出强烈的非热射电辐射。射电结构多数呈双源型，少数呈复杂结构，还有少数是致密的单源，角直径小于0″.001，至今都未能分辨开。致密源的位置通常都与光学源重合。射电辐射的频谱指数α平均为0.75。一般，α>0.4的称陡谱；α<0.4的称平谱。陡谱射电源多数是双源；平谱射电源多数是致密单源，它们的厘米波段辐射特别强。⑤类星体一般都有光变，时标为几年。少数类星体光变很剧烈，时标为几个月或几天。从光变时标可以估计出类星体发出光学辐射的区域的大小（几光日至几光年）。类星射电源的射电辐射也经常变化。观测还发现有几个双源型类星射电源的两子源，以极高的速度向外分离。光学辐射和射电辐射的变化没有周期性。⑥ 类星体的发射线都有很大红移。迄今为止，观测到的最大红移为3.53（OQ 172）。对于有吸收线的类星体来说，吸收线红移z吸一般小于发射线红移z发。有些类星体有好几组吸收线，分别对应于不同的红移，称为多重红移。例如，类星体PHL 957的发射线红移为2.69，吸收线红移有五组：2.67、2.55、2.54、2.31、2.23。

⑦ 观测表明，有些类星体还发出X射线辐射。

历史研究

研究测量

最近的类星体－3C273（M.Schmidt所发现）：视星等mv=12.8（其余的比16等还暗），红移z=0.158（相当距离950Mpc.约等于2.9亿光年远）。

最亮的类星体－S50014+81：绝对星等Mv=-33等（mv=16.5）；z值为3.14。

最大红移指数（相当于最远）的类星体－PKS2000-300：

mv=19，z=3.78

不过在1986年后，发现越来越多更大红移的类星体，其中约有30个z值超过4的；最近的报告（1990年）指出，PC1247+3406的z值为4.90。值得一提的是，类星体的数目似乎以Z=2左右为分界；红移小于2的随着z值增大，数目也越多，而红移大于2的，分布趋势则相反，z值越大的类星体数目越小。

最早发现类星体巨大红移现象的，是 M.Schmidt 在分析3c 273光谱时顿悟的；他感觉那些强烈的发射谱线相对排列顺序与氢原子光谱的几条谱线很相似；不同的只是整个光谱都向红端（长波）移动了一大截。

类星体的红移量是如此的巨大，不能只是以简单的哈勃定律（距离d与z值成正比）来决定它的距离；而必须以广义相对论为基础的宇宙模式来解释它。

研究进展

目前所知最远的类星体，约150亿光年。2001年，美国宇航局(NASA)的科学家们发现了由18个类星体组成的类星体星系，这是发现的规模最大的类星体星系，距离地球65亿光年。

2003年，以色列特拉维夫大学和美国哈佛大学的科学家在1月23日出版的《自然》(Nature)杂志上宣布发现了类星体周围存在暗物质晕的证据。

2006年，欧洲科学家称发现神秘罕见的“孤儿”类星体。

2007年，科学家首次发现十分罕见的类星体三胞胎。

2008年，科学家发现罕见的可以制造X射线的类星体。

2011年科学家用哈勃望远镜揭开了一个神秘天体的面纱。2007年，一位德国生物老师在夜空中发现神秘绿色天体，距地球约6.5亿光年，被称为汉妮天体。原来这是个已经死亡的类星体。

汉妮天体（Hanny’s Voorwerp，Voorwerp是荷兰语中“物体”的意思），可以说是宇宙中最神秘的天体之一。但2011年1月10日美国天文学会第217次会议上公开的哈勃太空望远镜拍摄到的精细照片和X光观测数据，终于揭开了汉妮天体的神秘面纱。由许多地面和太空望远镜拍摄到的原始图像表明，汉妮天体是一团巨大的炙热气体。天文学家推测，汉妮天体所发出的光，来自于一个名为IC2497的相邻星系的辐射。

科学家认为，IC2497的内核里有一个巨大的黑洞，曾经吞噬掉了各种气体和星体，并释放出两股相反的炙热气体和高能辐射。这种活跃的星系也被称为类星体。当类星体发出的辐射击中气体云时，就会激发氧原子，使气体云发出绿色的光芒。

美国耶鲁大学的天文学家Kevin Schawinski在进行了X光观测之后发现，这个类星体已经不再活跃了，这可能是因为它中央的黑洞已经没有“食物”可吃了。但科学家们认为，这个类星体死亡不久，因为汉妮天体还仍然在发光。鉴于IC2497的光需要几万年才能抵达汉妮天体，因此天文学家推测类星体应该是在不到20万年前熄灭的。这也意味着，它熄灭的速度要比科学家想象的快得多。

2010年4月由哈勃望远镜观测到的最新图像也证实了死亡类星体的假说。值得一提的是，那次观测发现了汉妮天体里有一些年轻的恒星群，它们中的有些年龄不会超过100万岁。

研究解释

类星体的绝对星等Mv在-25—— -33等之间（由哈勃常数Ho=50km/s·Mpc推算），这可推论出其光度在1012——1014L⊙之间（约4*1038——1041W），这代表类星体是宇宙最亮的天体；它们是遥远活跃星系的极亮核及塞佛特星系、N星系及电波星系强烈活动的延续。这些的星系的轮廓只有在最近的类星体3C273的光学影像中被辨认出，呈现模糊、扩张、云雾状的斑点；通常星系被比它亮很多的核的光芒所掩过，而呈现类星体的现象。只有以极灵敏的CCD侦测器及现代影像扩大技术，这才比较有可能测出那些z≦0.5的类星体及和它有关的星系（因z值越小之类星体距离越近，与其有关之母星系才不至于太暗）。减去类星体光度后的星系绝对星等在-21—— -23等之间，是直径40——150kpc的椭圆星系或漩涡星系。观测结果认为有强电波辐射的类星体可能属于椭圆星系，而无电波类星体则属于漩涡星系。

此外，在某些类星体中，其分立的子电波源间出现分离的相对速度快过光速的超光速运动现象。例如3C273；由巨大天线阵（VLA）从1977年到1980年，以波长2.8cm的无线电波波段观测结果显示，其分立两子电波源间分离速度高达11倍光速。

虽然，光速是物体运动速度的极限也是能量传递速度的极限；但这种看似不可思议的超光速现象，在视觉上却有可能造成。例如，在夜晚将探照灯射向高空，由于云层的反射，天空会出现亮点；当地面的探照灯缓慢转动时，在高空的亮点却以极快的速度在移动。如果这云层够高，亮点的速度甚至可以超过光速。以这模型来解释上述类星体中的现象，认为是由类星体中心母体喷出两股相反方向的粒子流（相当于探照灯的光），它照在星际介质上（相当于高空的云），从而激起电波辐射（相当于亮点）；因此，只要中心母体有小小的摆动，粒子流照射所激起的辐射区就会迅速的移动；如此看来，这两辐射区相离速度超过光速就大有可能了。

红移之谜

引力透镜与类星体

根据同步电子辐射原理推论出，类星体中黑洞质量--10^8M⊙，所有辐射能（光度）--10^39W≒10^13L⊙。根据相对论E=m·c2推算其寿命约10^8年。推算出如此巨大能量之结果，使得一些天文学家质疑：决定距离的基础是否为哈勃红移关系？

一般认为红移所代表的可能性有三种：

哈勃红移

越远的星系红移效应越大；类星体是目前所发现的最远的星系，它可能代表宇宙的边缘或最早的宇宙。

引力红移

就是从远离强引力场的地方观测，谱线会向长波的方向移动；但需要的引力场极大（约一亿个太阳质量的黑洞），且造成的谱型与类星体的不符。

局部红移

认为可能是某些星系高速喷出物质所造成之局部现象（与上述视线之超光速原理相同）；支持的证据是，很多星系及类星体常成双或成群出现，而它们之间的红移值截然不同。反对的说法是，也有不少成群协同的类星体、星团和它们的母星系有相同的红移量。

其中以支持哈勃红移理论的证据最为有力。

寻找红移与星系相近的低红移类星体：

以z≦0.5为范围，果然找到很多与椭圆或漩涡星系有关而红移相近的类星体；而高红移星系实在太暗，难以测出，不适用此法。

双胞胎类星体的证据：

1979年 D.Walsh,R.F.Carswell 和 R.J.Weymann 吃惊的发现类星体不但距离极近（5.7"），星等同样是17等，z值同为1.41，甚至完全相同的光谱。令人怀疑他们根本是同一天体，只是被重力透镜影响光线偏折而呈二重像。后来果然在类星体B旁发现一模糊的云雾，测量结果发现它是造成此光学二重像效应z=0.39 的中介星系（介于地球与此类星体之间）。此发现意义极重大，不但印证了爱因斯坦广义相对论中重力透镜的预测，而且证明红移大（z=1.41）之类星体在红移小（z=0.39）星系之后，更支持了哈勃红移的理论。

重力透镜造成的光变：

当中介星系转动时，由于重力的作用，使其后方类星体的光度发生变化；理论上可从观测到的类星体光变时间及影像空间角度，去推算类星体距离，再去印证哈勃红移所推算之距离是否正确。可惜，在类星体与地球之间常有无数物质，造成引力的多重影响，而不易以此法测出，有待将来进一步的改良观测技术。

吸收线的支持：

类星体中吸收谱线所测得的Zabs与发射谱线的z值不同，一般是Zabs≦Z；如果发射线z值是代表类星体的位置(距离)，则其吸收线之Zabs则是类星体和地球之间许多的星际间物质吸收所造成(如图一中Lα森林区，就是Lα线被不同距离物质吸收，所呈多重红移之结果)。当(Z-Zabs)/Z≧0.01，代表是类星体和地球之间许多星系外部的洞区所造成。

此外，在高红移类星体吸收线中找到低红移星系（及类星体）之吸收线系统，而在低红移星系吸收线中找不到高红移类星体之吸收线，这可说明高红移星体的确是在低红移星系（类星体）的后面。另外，一种很像类星体的怪东西，在1929年被发现并定名为BL蝎虎座天体；它的特征就是几乎没有特征。光度变化不规则，只有连续光谱，测不到它的谱线（可能太弱了）。因此，它的距离也很难定出。它那属于非热性之连续光谱在可见光部份比类星体陡。已发现100个左右。

到底类星体是个什么样的天体呢？它的外型像恒星，光谱像塞佛特星系，电波性质像电波星系……？当前认定是，它是宇宙在大霹雳后，最先形成的“星系”前身。但无疑的，它是一种非常活跃的天体；如果宇宙红移理论确实是对的，那类星体对于宇宙将扮演极重大的角色；它代表的是最远，最古老的宇宙。因此能从侧面映整个宇宙的演化。也由于它高度的亮及神秘的吸收线，更是研究宇宙中介物质（介于地球和宇宙边缘之间）的最佳利器。

理论假说

建造原理

在宇宙中超高速运行具有星系核的星系，当它追及到另一个具有星系核的星系时，如果两者的运行速度相近，就会相互吞噬，形成了一个更大的星系。倘若这两个星系的星系核相遇，就会相互绕转而形成一个质量更大的高速旋转的星系核。这个高速旋转的星系核就像一个巨大的发电机，从它的两极爆发出能量强大的粒子流向远方喷射。

星系核的能量越大，喷射粒子流的流量也就越大，喷射得也就越遥远。类星体在喷射高能粒子流的时候，会消耗其自身的能量，然而，当它俘获了其它星团或者星系以后，就会增添能量。类星体在宇宙里超高速运行的过程中，吞噬了它所遇到的所有天体。类星体是宇宙中最明亮的天体。

定义假说

类星体在类星体发现后的二十余年时间里，人们众说纷纭，陆续提出了各种模型，试图解释类星体的能源疑难。比较有代表性的有以下几种：

黑洞假说：类星体的中心是一个巨大的黑洞，它不断地吞噬周围的物质，并且辐射出能量。

白洞假说：与黑洞一样，白洞同样是广义相对论预言的一类天体。与黑洞不断吞噬物质相反，白洞源源不断的辐射出能量和物质。

反物质假说：认为类星体的能量来源于宇宙中的正反物质的湮灭。

巨型脉冲星假说：认为类星体是巨型的脉冲星，磁力线的扭结造成能量的喷发。

近距离天体假说：认为类星体并非处于遥远的宇宙边缘，而是在银河系边缘高速向外运动的天体，其巨大的红移是由和地球相对运动的多普勒效应引起的。

超新星连环爆炸假说：认为在起初宇宙的恒星都是些大质量的短寿类型，所以超新星现象很常见，而在星系核部的恒星密度极大，所以在极小的空间内经常性地有超新星爆炸。

恒星碰撞爆炸：认为起初宇宙较小时代，星系核的密度极大，所以常发生恒星碰撞爆炸。

活动星系核说

类星体是一种光度极高、距离极远的奇异天体。

越来越多的证据显示，类星体实际是一类活动星系核(AGN)。而普遍认可的一种活动星系核模型认为，在星系的核心位置有一个超大质量黑洞，

在黑洞的强大引力作用下，附近的尘埃、气体以及一部分恒星物质围绕在黑洞周围，形成了一个高速旋转的巨大的吸积盘。在吸积盘内侧靠近黑洞视界的地方，物质掉入黑洞里，伴随着巨大的能量辐射，形成了物质喷流。而强大的磁场又约束着这些物质喷流，使它们只能够沿着磁轴的方向，通常是与吸积盘平面相垂直的方向高速喷出。如果这些喷流与观测者成一定角度，就能观测到类星体。

正当星系红移问题闹得不可开交的时候，60年代又出现了类星体的红移现象，使问题变得越发复杂了。根据对类星体物理性质的研究。可以肯定，类星体是河外天体。属于星系这一层次。既然如此．它们的红移是不是也像正常星系那样可以解释为退行并满足哈勃定律呢？要直接验证这一点是困难的，因为至今还没法求出类星体的距离。对类星体进行统计，结果发现在红移－视星等图上，它们的分布毫无规律，这到底是什么原因呢？

大多数天文学家坚持认为：类星体的红移是宇宙红移，即红移反映了退行，而且红移和距离之间存在着哈勃关系。证据是类星体的物理性质与某些活动星系很类似，而活动星系已被证明是满足哈勃定律的。另外，已发现几个类星体分别很靠近某个基系团或就在星系团内，而且类星体与星系团的红移近似相等。还发现某些类星体很靠近一些星系，而类星体和星系的红移也大致相同。他们认为，类星体在红移－视星等图上之所以弥散，是由于类基体的绝对星等弥散太大，而不是因为哈勃定律不成立。

少数天文学家认为类星体红移不是宇宙学的。对某些类星体和亮星系进行抽样统计研究，发现有些互相成协(即联在一起)的星系或成协的星系和类星体彼此之间的红移量完全不同或相差很大。另外发现有些类星体的光谱中，其吸收线的红移量与发射线的红移量互不相同，而且不同的吸收线还有各不相同的红移量，即多重红移。而成协天体的不同红移和同一天体的多重红移，都是用多普勒效应无法解释的，必须寻找新的红移机制。已提出的除了上面讲到的引力红移、光子老化、物理常数变化等红移机制外，还有一种所谓的“横向多普勒效应”。类星体的巨大红移可能说明它的横向速度很大。

上述这些观点，有的仅仅是假说，有的虽有理论根据，但并不能很好地解释类星体的红移．持非宇宙学红移观点的人认为，类星体的红移是对现代物理学的挑战。对星系普遍存在的谱线红移的观测和研究．有力地推动了以整个可观测宇宙的结构、起源和演化为课题的现代宇宙学的迅速发展。星系红移的真相一旦被揭开，人类对宇宙的认识必将有一个更大的飞跃。

活动星系核模型

20世纪90年代中期，随着观测技术的提高，类星体的谜团开始逐渐被揭开。其中一个重要的成果是观测到了类星体的“宿主星系”，并且测出了它们的红移值。由于类星体的光芒过于明亮，掩盖了宿主星系相对暗淡的光线，所以宿主星系之前并没有引起人们的注意。直到在望远镜上安装了类似观测太阳大气用的日冕仪一样的仪器，遮挡住类星体明亮的光，才观测到了它们所处的宿主星系。

现在科学界已经达成共识，类星体实际是一类活动星系核（AGN）。而在同一时期，赛弗特星系和蝎虎BL天体也被证实为是活动星系核，一种试图统一射电星系、类星体、赛弗特星系和蝎虎BL天体的活动星系核模型逐渐受到普遍认可。

这个模型认为，在星系的核心位置有一个特大质量黑洞，在黑洞的强大引力作用下，附近的尘埃、气体以及一部分恒星物质围绕在黑洞周围，形成了一个高速旋转的巨大的吸积盘。在吸积盘内侧靠近黑洞视界的地方，物质掉入黑洞里，伴随着巨大的能量辐射，形成了物质喷流。而强大的磁场又约束着这些物质喷流，使它们只能够沿着磁轴的方向，通常是与吸积盘平面相垂直的方向高速喷出。如果这些喷流刚好对着观察者，就观测到了类星体，如果观察者观测活动星系核的视角有所不同，活动星系核则分别表现为射电星系、赛弗特星系和蝎虎BL天体。这样一来，类星体的能量疑难初步得到解决。

类星体与一般的那些“平静”的星系核不同之处在于，类星体是年轻的、活跃的星系核。由类星体具有较大的红移值，距离很遥远这一事实可以推想，我们所看到的类星体实际上是它们许多年以前的样子，而类星体本身很可能是星系演化早期普遍经历的一个阶段。随着星系核心附近“燃料”逐渐耗尽，类星体将会演化成普通的旋涡星系和椭圆星系。

尖端成果

北京大学曾经宣布该校物理学院天文学系教授吴学兵领导的团队发现了一颗距离人类128亿光年的超亮类星体。它的发光强度是太阳的430万亿倍、中心黑洞质量约为120亿太阳质量，是宇宙中目前已知最亮、中心黑洞质量最大的类星体。这一宇宙早期的超级“怪物”是中国学者利用云南丽江的2.4米望远镜首先发现的，它也是世界上唯一用2米级别的望远镜发现的红移6以上的宇宙早期类星体。所发现的红移6.3类星体SDSS J0100+2802是所有高红移类星体中光度和黑洞质量最大的。

这一最新研究成果发表在2015年2月26日最新一期的国际科学期刊《自然》上。

著名天文学家、中国科学院院士陈建生评价这一发现时称：“中国天文学家能够用国内2米级小望远镜发现国际上通常需要10米级望远镜才能发现的天体，说明我国天文学家富有创新思想。”

《自然》杂志还特地为此文作了题为《井喷式快速成长的年轻黑洞》（Young black hole had monstrous growth spurt）的新闻发布，并邀请德国马普天文研究所的布拉姆·维尼曼博士（Bram Venemans）在同期杂志的“新闻与评述”栏目中专门撰写题为《年轻宇宙里的巨兽》（A giant in the young Universe）的文章，评述了这一发现。

短短几天，国外新闻媒体，包括有线新闻网（CNN）、路透社、华盛顿邮报、时代周刊、美国全国广播公司（NBC）、美国国家地理、发现频道、科学美国人等，以及国内新闻媒体，如中央电视台、新华社、人民日报、光明日报、中国日报、中国科学报等，纷纷将这一发现作为重要新闻进行了报道。北京大学还为此专门召开了新闻专题发布会，有20多家国内主要媒体的记者参加。

【078、六大宇宙极端黑洞：最小黑洞跨度仅24公里】

2010年11月17日新浪科技

美国宇航局当地时间11月15日宣布，“钱德拉”天文望远镜发现了迄今宇宙中最年轻的黑洞，只有31年的历史。黑洞是由超新星爆炸留下的残余物质形成的，是宇宙中最奇异的天体之一。即便是在这些奇异的黑洞当中，还有一些比其他的更极端。以下即是宇宙中最极端的黑洞。

1.最年轻的黑洞

SN 1979c超新星31年前爆炸产生的残骸构成了迄今已知宇宙中最年轻的黑洞。这个超新星位于距地球大概5000万光年远的M100星系，1979年被一位业余天文爱好者发现。那颗在1979年爆发的恒星正处于形成黑洞的理论质量限额(即相当于太阳质量的20倍左右)的边缘。超新星爆炸以后，残留的物质或是形成黑洞，或是变成密度极高的中子星。

美宇航局天文学家11月16日宣布，“钱德拉”天文望远镜的最新观测似乎倾向于这个超新星最终形成了黑洞。随着物质坠入黑洞，它被加热至数百万度，释放出X射线。如果原为SN 1979c超新星的物体是中子星，它释放的X射线的亮度会随时间逐渐暗淡，如果它是黑洞，X射线几乎与以前一样明亮，因为黑洞在不断吞噬新物质。

最新观测结果显示，SN1979c在1995年至2007年释放的X射线的亮度始终如一，所以，这个物体是黑洞的概率绝对更大——虽然它仍有可能是一颗高速旋转的中子星，不断喷发剧烈的高能粒子风。

2.最近的黑洞

距离地球最近的黑洞在2.4万光年以外。作为名为V4641 Sagitarii的双星系统成员，这个黑洞正在慢慢吞噬一颗常见的伴星。当它在1999年喷射狂暴的X射线时，无意中泄露了自己的藏身之地。最初，天文学家以为这个双星系统距地球只有1600光年远，但在2001年的后续观测中，他们才发现它其实距地球2.4万光年之遥。

3.最远的黑洞

已知距离地球最远的黑洞位于600万光年远的NGC 300星系。这个星系发现于2010年1月，也是第一个被发现潜伏在银河系所属“本星系群”外面的黑洞。与距离地球最近的黑洞一样，这个最远的黑洞也在蚕食一颗常见的伴星，它还是迄今测量的重量最大的恒星级黑洞之一。处于星系中央位置的黑洞的质量最终能膨胀到相当于太阳质量的数十亿倍，不过，预示着恒星生命周期终结的黑洞质量仅仅是太阳质量的20倍。根据科学家目前掌握的资料，他们迄今只发现了三个质量相当于15个太阳的黑洞。

4.最大的黑洞

宇宙中质量最大的黑洞相当于太阳质量的180亿倍，是此前记录保持者的6倍，堪比一个小星系的质量。这个庞然大物位于距地球35亿光年远的OJ287类星体。天文学家在2008年通过观察受这个更大黑洞引力场吸引的更小黑洞(这个黑洞本身的质量相当于1亿个太阳)的轨道，测量了它的质量。

5.最小的黑洞

宇宙中最轻、最小的黑洞仅相当于太阳质量的3.8倍，跨度仅为15英里(约合24公里)，刚刚超过纽约曼哈顿岛的长度。虽然个头不大，但这个名为XTE J1650-500的黑洞仍然是破坏活动的发动机。与其他许多黑洞一样，XTE J1650-500通过从伴星“窃取”气体令自己升温，释放出X射线，泄露了行踪。这些X射线的强度会根据黑洞的质量有所不同。通过观测这些细微的变化，天文学家可以对黑洞展开测量。

6.最快的黑洞

如果形成黑洞的恒星正在快速旋转，那么这个黑洞也会跟着快速旋转。相比静止不动的黑洞，不停旋转的黑洞可以更为紧密地控制住周围的物质圆盘。迄今旋转速度最快的黑洞名为GRS 1915+105，以每秒1000圈的速度旋转。这几乎是黑洞旋转速度在理论上的最大限额。这一数据是通过计算恒星在崩溃前的旋转速度算出来的。

【079、落入黑洞会发生什么？你死了但同时你活着】

2015年06月02日新浪科技

大质量天体会导致时空的扭曲

在黑洞中，时空的扭曲程度到达极点

黑洞导致光线传播路径的极大扭曲，形成类似“透镜”的效果

半人马射电源A（Centaurus A）可能是一个位于我们银河系中央的大型黑洞

据英国广播公司（BBC）网站报道，你有没有偶尔出现过这样的念头：如果你掉进一个黑洞会发生什么？

你可能会认为自己大概会被压碎，或者撕成碎片。但现实可能比你设想的更加诡异。在你落入黑洞的一瞬间，现实将会被一分为二。在其中一种场景中，你将瞬间化为灰烬，而在另一种场景下，你几乎毫发无损，并且这两种情形可能都是真实的。

黑洞是什么？

黑洞是一类诡异之地，在这里我们所熟知的物理定律不再有效。爱因斯坦指出，黑洞的引力会弯曲时空，造成时空本身发生扭曲。因此如果有一个密度足够高的物体，时空将发生严重扭曲，以至于在这个物体周围的现实时空之中形成一个类似凹陷的区域，这就是黑洞。当一颗大质量恒星耗尽其燃料之后发生爆炸塌缩，这一过程将足以产生这样奇异的超级致密天体。当超大质量恒星的死亡核心在自身质量作用下不断收缩，它周围的时空随之扭曲。它的引力开始变得如此之强，以至于光线也无法逃离它的掌控：在这颗恒星原先所在的位置上，一个新的黑洞出现了。

黑洞最外层的是它的事件边界，也就是光线恰好开始无法逃离的引力范围边界。在这一区域之外，光线还可以逃离，而一旦越过这一边界，任何逃离的努力都将是徒劳的。事件边界蕴含着巨大的能量。此处的量子效应会产生强大的高温粒子流并向外辐射，这就是所谓的“霍金辐射”。这是以英国著名天体物理学家霍金教授的名字命名的，因为是他最先预言了这种辐射效应的存在。只要给予足够的时间，这种霍金辐射将最终耗尽黑洞的所有质量并导致黑洞的最终消亡。

随着你逐渐深入黑洞，时空变得更加扭曲，直到抵达黑洞的核心——在这里，时空的扭曲达到无限程度，这就是“奇点”。在这里空间和时间不再有意义，我们所熟知的，基于时间与空间概念的物理学定律也将全部失效。

那么在这里究竟将发生什么？另一个宇宙？混沌？或是通往小时候书架的后面？没有人知道答案。

落入黑洞时会发生什么——你死了，但同时你活着

那么如果有一天你真的不幸落入其中一个黑洞之中，将会发生什么？首先我们假想你拥有一个名叫“安妮”（Anne）的同伴。你正朝着黑洞落去，而她仍然处于安全的距离外惊恐万分地观察着眼前的景象。从此刻开始，她将目睹一系列奇异现象。

随着你朝着黑洞的事件边界不断加速下落。安妮将会看到你的身体逐渐被拉长并扭曲，就像透过一个放大镜观察你的感觉。并且随着你越来越接近事件边界，安妮会发现你的移动速度似乎变得越来越慢，就像在看慢动作镜头。

你没有办法向她呼喊，因为空间里没有空气，但你想到用自己的iphone手机，利用闪光的方式向安妮发送一段摩尔斯电码（真的有一个这样的app）。然而你发出的信号向外传递的速度同样非常缓慢，光线的波长已经在强大的引力场中被严重拉伸，频率变得很低：“我很好。。。我……很……好。。。……我。。。。。。。很。。。。。。。好。。。”

当你最终抵达事件边界，安妮会发现你静止了，仿佛某人按下了暂停按钮。她会看到你还在那里，一动不动，拉伸的身体开始被烈焰吞噬。

在安妮看来，你已经因为空间的拉伸，时间的静止和霍金辐射产生的高热，在甚至还未跨越事件边界的时候变已经化为灰烬了。

然而，在我们为你准备葬礼之前，先让我们忘掉安妮的报告，转而从你自己的视角来看一看这段时间里你究竟经历了什么？好吧，现在更加诡异的事情出现了：你觉得什么事都没有发生。

在你的下落过程中，你将感受不到拉伸，减速或是可怕的辐射。这是因为你正处于自由落体状态下，因此你感受不到重力的存在——爱因斯坦将这称之为自己“最令人愉悦的想法”。

毕竟，事件边界并不是一堵砖墙，而只是一种空间上的无形边界。一名位于外部的观测者无法目睹这一边界内部的事件，但这对于你而言不是问题——对你而言，这里并不存在什么边界。

当然，如果你正落入的是一个较小型的黑洞，那么你的确会有大问题。你将感受到强大的引力作用：你的腿部感受到的引力要比头部强大的多，你将会像一根意大利面条那样被拉长。但幸运的是你现在落入的是一个大型黑洞，其质量是太阳的数百万倍，在这种情况下，那种会将人撕碎的引力差将变得非常小，几乎可以忽略。

理论上说，在一个足够大的黑洞中你可以正常的度过余生，直到最终落到黑洞中央的奇点上迎来死亡。

“正常”——有多正常？你可能会有这样的疑问，因为此时的你正坠入时空连续体中的裂隙，完全不以自己的意志为转移，没有办法回头——一定没有人能够体会你的感受。

但奇怪的是，实际上从某种角度来看，我们是能够体会你的感受的——你是从空间上，而是从时间上——时间之河永恒地向前流淌，不以我们的意志为转移，我们只能随着时间向前走，没有办法回头。

这并不仅仅是一个比方。黑洞将空间和时间扭曲到了一个极端的程度，以至于在黑洞内部，时间和空间已经互换了角色。从某种意义上说，是时间将你推向最后的奇点。你无法回头逃离黑洞，一如我们无法回头，回到过去。

量子物理学指出，黑洞的边界可能存在一堵“火墙”

黑洞的事件边界并不是一堵现实存在的墙

“黑洞信息悖论”

到了这一步，你大概会想：等一下，那个安妮到底是怎么回事？明明我什么都没发生，周围什么都没有，只有空旷的空间，为什么她一口咬定亲眼看到我在事件边界外就已经被烧成灰了？难道她产生幻觉了吗？

事实是，安妮并没有产生幻觉。从她的视角看，你的确是在事件边界附近就被烧成灰烬了。这不是幻觉。如果可以的话，她甚至还可以收集你的骨灰并带回地球给你的家人安葬。

实际上，自然界的定律要求从安妮的视角观察，你必须永远都无法进入到黑洞的内部。这是因为量子物理学原理要求信息不可丢失——任何描述你的存在的信息必须留在黑洞外部，否则安妮所在空间的物理学定律将会崩溃。

而在另一方面，物理学定律也要求你必须能够穿越事件边界，而不会遭遇到超热粒子流或其他任何异常的东西。否则你将违背爱因斯坦的那个“最令人愉悦的想法”和广义相对论原理。

因此，简单来说，物理学定律要求你同时存在两种状态——在黑洞外成为一堆灰烬，以及在黑洞内，完好地活着。然而还有第三项物理学定律，它指出信息是不允许被克隆的——你必须同时存在于两个地点，但同时你只能有一个。

不知怎的，物理学定律将我们带向了一个似乎违背常识的结论。物理学家们将这一矛盾性结论称为“黑洞信息悖论”（Black Hole Information Paradox）。幸运的是，在1990年代，他们终于找到了一种调和这对矛盾的方法。

物理学家莱纳德·苏斯坎德（Leonard Susskind）意识到这一悖论实际上并不存在，因为并没有人能够看到另一个你。安妮只能看到已经化为灰烬的你，而你只能看到活着的你自己。你和安妮之间永远无法将这两个 “你”进行对比，并且也不存在第三名观察者能够同时看到黑洞内部和外部的情况。因此在这样的情况下，物理定律将不会被突破。

除非你非要深究，这两个你究竟哪一个才是真的你。你想知道：我究竟是活着还是死了？

黑洞的研究所揭示的一项重要事实便是：根本就没有现实。所谓现实仅仅取决于你所询问的对象是谁。在这个故事中有对于安妮而言的现实，也有对于你而言的现实。大概就是这样。

从事件边界喷涌而出的“霍金辐射”

黑洞——一旦你落入其中，永远不可能再出来

“鬼魅般的远距作用”

在2012年的夏天，一个物理学家小组（包括4名成员：Ahmed Almheiri，Donald Marolf，Joe Polchinski以及James Sully，简称AMPS）设计出一项思想实验，它可能将会彻底颠覆我们对黑洞的认识。

AMPS小组意识到，苏斯坎德的解决方案完全基于一个前提，那就是黑洞的事件边界将可以调和你和安妮所见的不同事实。你安全的漂浮在空间里，而安妮看到你化为了一团灰烬，这不要紧，因为安妮看不到位于事件边界另一侧的那个你。但是，假如安妮找到了一种方法，可以在并不需要亲自穿越事件边界而得知这一边界另一侧情况的方法，那将会怎样？

简单的应用相对论，那么这个问题将不能成立，但量子物理学原理让这个问题变得比我们设想的更加复杂。安妮或许可以窥见事件边界后的一丝隐情，她采用的方法就是被爱因斯坦称作“鬼魅般的远距作用”（"spooky action-at-a-distance"）的一种现象。

这就是量子纠缠效应——两个粒子尽管在空间上分离，但却诡异地相互联系（“纠缠”）。它们同属于一个单一而不可分的整体，因此对其进行描述的信息无法在它们其中的任何一个粒子身上找到，而在于如鬼魅般将它们两者联系在一起的那种“纠缠”之中。

AMPS小组的思想实验正是基于此——设想安妮掌握有靠近事件边界的一组信息，称之为A。如果她的故事是正确的，你已经在黑洞边界附近化为灰烬，那么信息A必定与另外一组信息B之间存在纠缠，信息B应当与那团高温粒子流有关。

而在另一方面，如果你的故事是正确的，你在事件边界的另一侧安全地存活着。那么信息A则必须与另一个不同的信息C相互纠缠，这个信息C应当与黑洞内部的某种东西有关。

这里就出现了矛盾：每一组信息都只能被关联一次。也就是说信息A只能在B和C之间关联一次——要么与B纠缠，要么与C纠缠，不能两者同时。

因此安妮手里握有信息A，并将它放入她的手持式纠缠解译机，此时这台机器将会显示答案：要么B，要么C，而不会是两者同时显示。

如果显示的答案是C，那么你的故事胜出，但量子物理学原理将会崩溃。如果信息A与深入黑洞内部的信息C相互纠缠，那么对于安妮而言，她所掌握的信息A从此将永远消失，这就违背了量子物理学所规定的信息不可丢失的原则。

那么如果显示的结果是B呢？如果解译机器显示的答案是B，那么安妮的故事胜出，但爱因斯坦的广义相对论将会崩溃。如果信息A与信息B相互纠缠，那么安妮的故事就是真实的版本，也就是说你真的已经化为灰烬，而不是安然无恙地通过事件边界，就像广义相对论所要求的那样——你遭遇到一堵真实存在的“火墙”。

这样一来，我们就被迫回到我们最初开始的地方：当你坠向一个黑洞时究竟会发生什么？你会安然无恙地通过事件边界？还是会在下落过程中一头撞上“火墙”而化为灰烬？没有人知道答案，这已经成为基础物理学领域最持久的难题之一。

事实上，物理学家们已经花费超过100年时间试图调和广义相对论与量子原理之间的矛盾，他们知道最终这两者之间必定将会有一个做出让步。黑洞带给我们的这一悖论或许将帮助我们判断究竟哪一种理论将做出让步，并指引我们找出掌管宇宙运行的更深层次上的基本理论。

回到起点

其中的线索之一或许就在安妮的解译机器上。要想解译出与信息A纠缠的另一个信息是极其困难而复杂的。因此新泽西州普林斯顿大学的物理学家丹尼尔·哈罗（Daniel·Harlow）以及加州斯坦福大学的物理学家帕特里克·海登（Patrick·Hayden）想要知道这样的解译过程将需要花费多长时间才能完成。

在2013年，他们计算的结果发现，即便借助物理学原理极限所允许的最强大的计算机，安妮要想解译出所需的信息也将耗费极其漫长的时间。到她最终解译出结果时，那个黑洞早就已经完全蒸发，从宇宙中消失了。

如果这一结果是正确的，那么解译过程本身的极端复杂性将阻止安妮找出两个版本故事之间哪个是真实的努力。这样就只能假设这两个故事都是真实的，何为现实仅仅取决于不同的观测者，所有的物理学定律都将不会被违背——你已经死亡，化为了灰烬，但同时也安全地通过了事件边界，没有遭遇到可怕的“火墙”，安然无恙地活着。

这一结果也启发物理学家们去思考一些新的问题：那就是极端复杂的计算（如安妮所遭遇的那样）与时空之间的联系。这其中似乎隐藏着某种更加深层的秘密。

这就是有关黑洞的故事，并不仅仅关乎空间旅行者们的命运，它们也是理论物理学的天然实验室，将物理系定律中的一些极细微缺陷无限放大，到我们完全不能忽略它们的地步。

如果现实的真正本质仍然隐藏在某处，那么找出它们最好的地方就是黑洞。当然，在物理学家们真正有把握地搞清楚黑洞“火墙”的问题之前，我们最好还是站在事件边界的外部观察会比较好一点。或者我们就把安妮送进去，这次该轮到她上了。

【080、美新发现黑洞实际年龄已5000万岁为地球近邻】

2010年11月17日广州日报黄蓉芳

新发现的黑洞位于距地球5000万光年外的室女星系团中。图为NASA15日发布的室女星系团照片。

NASA宣布发现31岁“最年轻”黑洞

美国国家航空航天局15日宣布，研究人员在距离地球大约5000万光年的太空发现“年仅”31岁的黑洞。研究人员认为，这一黑洞质量大约是太阳的5倍，由一颗质量大约20倍于太阳的超新星爆炸形成。

“奇妙”的学习机会

新发现的黑洞位于距地球5000万光年外的室女星系团中。

研究人员1979年观测到名为SN1979C的超新星爆炸。依靠美国钱德拉X射线太空望远镜观测，他们认为，这处星体附近区域强烈的X射线与黑洞发出的X射线一致。国家航空航天局戈达德航天中心天体物理学家金伯利·韦弗说：“我们以前从不知道一个黑洞诞生的具体时间，现在能观察它演化到孩童和青少年的阶段。”韦弗说，这个迄今发现的“最年轻”黑洞给研究人员提供了“奇妙”的学习机会。

研究人员同时谨慎表示，不能排除黑洞外的其他可能。

5000万光年算近邻

美国《华盛顿邮报》说，来自马里兰州斯旺顿的天文学家古斯·约翰逊可能见证这一黑洞的诞生时刻。当年，约翰逊观测星空时，看到一个星体突然猛地一亮。随着约翰逊的发现，这颗超新星才走入人们视线，后被命名为SN1979C。

SN1979C是当时人们直接从地面观测到的银河系外第三颗超新星。尽管SN1979C距离我们5000万光年，但这个距离对于浩瀚的宇宙而言并不算遥远，SN1979C甚至算得上地球的近邻。

研究人员认为，发生爆炸的SN1979C质量大约为太阳质量的20倍。这一质量正好处于决定星体不同“命运”的分界线上。太空新闻网说，质量不足太阳质量20倍的星体在生命末期，因重力崩溃发生爆炸后通常形成密度极大的中子星；而质量超过太阳20倍的星体则会在生命最后演化成为黑洞。

【081、你是第一批“看见”黑洞的人类！】

2019-04-10 科技

人类首次“看见”黑洞

这是人类史上首张黑洞照片。北京时间4月10日晚9时许，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容。这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点“捕获”的视觉证据，有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。

你是第一批“看见”黑洞的人类！

黑洞，一个无人不知却知之甚少的生僻热词，今天迎来历史性一刻——北京时间10日，一个“超巨型”质量黑洞在上海等全球多地向人类首次示现真容，以一张高清“写真”，用“眼见为实”的方式，定格了自己的真实存在，也引发了人们更多好奇。

黑洞预言流传百年来，我们是第一批“看见”黑洞的人类！

为先睹为快，新华社记者第一时间独家专访了发布会现场多位科学家，用最简单的语言解密此次里程碑式发现背后的“十万个为什么”。

——来啦，黑洞，请先来个自我介绍。

黑洞答：好，我在全球新闻发布会现场为你介绍。我活了100多亿年，人类终于给我拍了张照片。今天，我的“写真”以特刊形式发表在《天体物理学杂志通信》上，为我拍照的设备是一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜，200多位科研人员通过将地球上不同地点的8个射电望远镜组合成观测阵列，终于拍下了我的“盛世侧颜”。

——黑洞，原来过去这些年你只是“传说”？

黑洞答：没错！

解说：尽管在《星际穿越》等科幻电影中，我们曾一次次“真切”地领略黑洞的瑰丽，但那些画面都只是导演们“一厢情愿”的想象，黑洞到底长啥样没人真正见过。

约100年前，以爱因斯坦为代表的伟大科学家预言，大质量恒星在燃料耗尽、生命终结之后会向内部中心区域崩塌、集聚，最终形成黑洞。

早期，黑洞只存在于牛顿万有引力定律和爱因斯坦广义相对论的公式和方程中，因为太过“超出人类理解”，就连最早预言的人都怀疑黑洞的真实存在。“直至2015年，人类首次探测到两个黑洞合并所产生的引力波，才强有力地证明了黑洞的存在，但那仍只是间接证明。”参与此次国际合作的中科院上海天文台台长沈志强说。

所以，无图无真相，在没有眼见为实“看到”黑洞之前，它一直是“传说”。

——这位“隐士”，你到底“躲”到哪里去了？

黑洞答：如果非要给“你我”之间加上个距离，那就是5500万光年。

解说：此前，黑洞确凿地存在于科学家们无数的推测数据中，但我们始终未曾与其谋面。如今，人类终于为黑洞拍下了第一张照片。

4月10日，中国科学院上海天文台台长沈志强主持新闻发布会，发布人类史上首张黑洞照片。新华社记者方喆摄

沈志强指着这张照片说：“人类拍到的这个黑洞，位于室女座星系团中一个超大质量星系——M87的中心，距离地球5500万光年。我们所在的银河系也是‘室女座’星系团的一员。”

——听说你长得“大到没边”，那究竟是多大？

黑洞答：不准确！我只是很重，但我的体积很小。

解说：在多数人的想象中，黑洞之“大”超出人类对于大尺寸数量级的直观认知。但准确说，“黑洞只是质量和密度超乎想象的大，比如这次拍到的黑洞质量是太阳的65亿倍，属于超大质量黑洞，但体积却比较小，小到在其内部几乎没有空隙。”参与此次国际合作的中科院上海天文台研究员路如森说。

举个例子，“如果我们要将太阳变成黑洞，必须将太阳压缩到一个半径非常小的空间内。”沈志强说，而一旦太阳被压缩到这么小的空间内，就可以改名叫“黑洞”了，它拥有超强引力“先天基因”，可“吞噬”周围的气体、尘埃，乃至临近的恒星系和较小的黑洞。超强引力帮助黑洞以极其暴力的方式“跑马圈地”，宣誓自己的“势力范围”。

——首张黑洞“写真”拍的是你哪个“部位”？

黑洞答：我的侧颜“轮廓”。

解说：参与此次国际合作的、论文发表工作组五成员之一、中科院上海天文台副台长袁峰说：“照片中，黑色圆影的中央‘隐藏’着黑洞的真身。圆影外侧新月形的光环是黑洞周围气体发出的光，所以，准确地说，首张黑洞‘写真’拍到的是黑洞的‘轮廓’。”

——黑洞，你到底黑不黑？

黑洞答：外面黑，里面也许不黑。

黑洞像个“至暗无底洞”，即便大名鼎鼎的“最牛飞毛腿”——光也难逃“魔洞”。但已故科学家斯蒂芬·霍金推断，黑洞并不像想象的那么黑，事物可以从黑洞逃脱。

哪个是真？哪个是假？

“从照片上看，黑洞的势力范围之内的确漆黑一片，但是势力范围里面，那个质量超大、体积超小的天体到底什么颜色，照片上还看不清楚。”沈志强说。

4月10日，中国科学院上海天文台举行新闻发布会，发布人类史上首张黑洞照片。新华社记者方喆摄

而对于被黑洞吞噬的一切事物有没有科幻电影中畅想的“逃离通道”，路如森说：“仍不清楚，照片中没法看到，可能没有。”

——听说物理教科书中某些理论失效了？

黑洞答：高兴得有点儿早。

2016年，有科学家在对2015年人类第一次观测到的引力波数据进行分析后表示，在黑洞周边，爱因斯坦的广义相对论可能会失效。真的吗？

黑洞首张“写真”揭晓了谜底。袁峰说，在没有拍到黑洞照片之前，科学家根据爱因斯坦广义相对论精准计算出了黑洞真身外黑色区域和新月形光环的结构。“拍到黑洞照片后，我们发现，真实情况跟我们计算的结果一模一样，可见，观测结果验证了爱因斯坦的广义相对论。”

但是，沈志强说，由于目前我们还无法“看清”黑洞的最里面，那里的运行规律是否与人类已知物理定律相悖还不得而知。

物理教科书目前再次经受住了考验，你兴奋吗？

——人类“千年等一照”，然后呢？

黑洞答：难道就不想再看看我到底是不是宇宙中最厉害的存在？

作为宇宙中第一批亲眼看见黑洞的“碳基生物”，生活在今日地球上的人类已然可以“无悔”，但好奇心不止的人类依然在努力。

“首次拍到黑洞真容只是迈出了人类认知黑洞的历史性一步，接下来我们将进一步增加观测望远镜的数量、分辨率，甚至不排除在外太空‘组建’更高清晰度望远镜的可能性。”袁峰说。

“我们希望用更短的时间拍出细节更丰富、角度更多样的黑洞照片，也希望有朝一日能在宇宙中开展系统的‘黑洞普查’。”沈志强说，这将有助于进一步验证爱因斯坦广义相对论等人类基础科学理论，也有助于人类弄懂黑洞到底是怎样的存在，星系中心壮观的喷流是如何产生的，宇宙究竟有多大、如何形成又如何演化。

“我是谁、我从哪里来、要到哪里去”，黑洞，人类“终极三问”的答案都在你那吗？

我们好期待！

【082、迄今为止！这是发现的最奇怪、最不可思议的行星！就在这里】

2021-05-09 天文在线

仰望夜空，你想知道那些我们称之为恒星的遥远的闪烁点有行星围绕着它们运行吗？每颗能用肉眼看到的恒星都是银河系的一部分，据估计，平均每颗恒星都至少有一颗行星，这意味着可能有超过1000亿颗外星行星等待被发现。围绕另一颗恒星运行的行星被称为系外行星。仅仅在过去的二十年中，就已经发现了5000多个神秘的世界。从使木星都相形见绌的巨大的气体世界到恒星边缘受到引力影响的冰冷地狱景观，它们以各种形式出现。

天文学家甚至发现了存在于恒星宜居带内的系外行星，也许能使它们适合我们所知道的生命在那里生存。宇宙中可能存在的边界似乎每年都在变化，随着技术的进步，我们正在发现如此不同寻常的系外行星。而仅仅在十年前，人们还认为这些世界是不存在的。目前，我们只触及了表面而已，接下来让我们来看看迄今为止发现的一些奇怪的、不同寻常的系外行星。在434光年之外的半人马座，有一颗壮丽而奇异的恒星，J1407B。

这个遥远的气体巨星拥有银河系中已知的最大环状系统之一，这让它有点像一个超级土星。据估计，这颗系外行星共有37个环，跨度近7500万英里（约1.2亿公里），比土星的环大200多倍。J1407B是在它从其母恒星前经过后被发现的，它造成了一系列复杂的亮度变化，连续56天挡住了恒星95%的光。探测到的光曲线揭示了行星巨大的环状系统，也发现这些环有明显的缝隙，这让科学家们相信在这些间隙中可能形成小型系外卫星。为什么这颗行星拥有这么大的环状系统还不得而知，但天文学家们预计，在几百万年的时间里，它们会变薄，最终形成新的系外卫星，然后永远消失。Corot 7B位于距离我们489光年的麒麟座，是迄今为止发现的最热的岩质系外行星之一。

这颗炽热星球的轨道与其恒星的距离是地球与太阳之间的六十一，这可能会导致它的部分表面被岩浆海覆盖。由于潮汐锁定，科罗特7b在白天的温度可高达2000℃，也就是3600oＦ，但在夜晚温度急剧下降，远低于冰点，使这颗行星表面的一半永远处于冰河时期。

据估计，科罗特7b的大小约为地球的1.5倍，但有人认为炽热的它可能已经开始变为一个距其恒星更远，更大的气态行星存在，而这颗气态行星可能类似于我们太阳系的土星。然而，科罗特7b最终轨道缩小，然后渐渐地失去了它厚厚的大气层，最后只留下一个岩石质核心。

5600ly外的天蝎座，潜伏着目前为止最奇特的行星之一——一颗别名为马图塞拉的系外行星。马图塞拉的正式名称是PSRB 1260-26b，是银河系中已知最老的行星，估计有着127亿年的历史，是地球年龄的三倍之多。但令人难以置信的是，这颗行星已经被确定是在大爆炸10亿年之后形成的。

马塞图拉的质量是木星的2.5倍，也是一颗巨大的气态行星，它奇怪地围着一对古老恒星运转，这对恒星就位于一个巨大的球状星团梅西埃外。宿主恒星是一个双星系统的一部分，其中一颗是快速自转的脉冲星，它一直产生强大的辐射，而另一颗是一颗原始恒星残余的核心，它被称为白矮星，（这颗原始恒星或许是马土撒拉最初围绕它（白矮星）形成的恒星。

在48ly之外的蛇夫座，也有一颗奇特的行星，它名叫格利泽1214b。据说这颗行星是最有可能成为海洋行星的候选之一，因此它有了“水世界”之称。观测结果表明，它的密度远低于地球，这可能使它成为一个岩石质行星，被厚厚的水套覆盖，然后被由氢和氦组成的大气层所笼罩。然而，格利泽1214b与其红矮星之间的距离只有120万英里，也就是190万公里，这使它的表面温度远高于地球，而且这可能让它形成一些其他物质，如热冰和热超流体水。

【083、强势围观！一颗奇怪的双瓣彗星，它为何会这样呢？】

2021-05-13 天文在线

简介：通过分析三维图像，利用压力模型，研究者得出压力塑造了彗星表面的地质特征，并且旋转的地质压力形成了双瓣的彗星。

彗星别具一格、疑云重重的双瓣状或许掌握着有关其形成的线索。

罗赛塔传回的双瓣彗星(67P/Churyumov-Gerasimenko)图片图源：Physics.org

最近有感觉压力很大吗？没事，还有彗星陪你。据最近欧空局(ESA)发现，地质压力是促成彗星67P/Churyumov-Gerasimenko如今形状的主要因素。

瓣状小型冰彗星在太阳系中很常见。它们可能的一种形成方式为45亿年前两个原始天体在形成早期的缓慢碰撞。利用罗塞塔号在“67P/C-G”探测两年获得的新数据，天文学家们发现了彗星如今形状的成因。

研究者利用压力模型，并对于罗赛塔号OSIRIS相机拍摄的高清图片进行3D分析，探查了彗星的表面和内部。

罗赛塔号探测器由于能源不足，以撞向67P/C-G彗星完成最后的使命。图源：Time Magzine

“我们发现彗星表面向下五百米充斥着断层和断裂，并且横向绵延数百米。”该研究的领头作者、艾克斯·马赛大学的克里斯托弗·马托蒂(Christophe Matonti)说道。“这些地质特征是由剪应力造成的。剪应力是一种机械力，经常出现在地球的地震和冰川，以及其它类地行星上，当两个物体在不同方向上相互推动时形成。这非常激动人心：这个发现揭示了彗星的形状、内部结构、以及它是如何随时间变化的。”

研究者的模型发现剪应力在彗星的“颈部”处作用力最大，也就是链接两瓣的最薄位置。

剪应力示意图图源：bristol.ac.uk

“就好像彗星两瓣中的物质都在拉伸移动，扭曲了彗星中间的“颈部”，通过机械侵蚀使其变薄。”马赛大学的研究合著者奥利维亚·格莱森(Olivier Groussin)解释说：“我们认为是彗星的自转和它最初对称的形状造成了这样的影响。当这些凸出物绕着彗星重心旋转时，在彗星“颈部”和“头部”相接的地方形成了一个扭矩。”

这些观测表明剪应力作用在整个彗星上，尤其是在彗星的“颈部”。地质断层在67P/C-G上传播之深，也证明了彗星内部由易碎物质构成。这一点之前并不为人知。

67P彗星表面的断层图源：The Planetary Society

“热过程解释不了我们的任何发现。”斯特灵大学的合著者尼克·安璀(Nick Attree)说道。“只有我们考虑剪应力在彗星全身、尤其是“颈部”作用时，才能解释彗星的形状。剪应力在数十亿年间不断破坏中间部分使它变形。”

升华是另一个影响彗星外观的常见过程。升华使冰变成水蒸气，在此过程中将彗星尘埃拖进太空。当彗星近距离接触太阳时，它极速升温并导致冰融化。罗塞塔号在67P/C-G彗星上捕捉到的一些剧烈爆发正来源于此。新的发现揭示了双瓣彗星是如何随时间演变。

67P/C-G彗星上的剧烈爆发图源：欧空局(ESA)

据信，彗星在太阳系早年形成，并藏于太阳系外围巨大的云团中，直到轨道开始转向太阳系内部。67P/C-G彗星就是在太阳系初期的“建造”阶段有了它双瓣的雏形。

新的研究发现，尽管彗星与太阳相距甚远，剪应力将在彗星形成后的数十亿年中不断作用，而升华侵蚀则接管之后数百万年，继续打磨彗星的形状，尤其作用在彗星已经被剪应力打薄的“颈部”。

67P/C-G彗星在过去的45亿年中受许多张力影响，逐渐变成现在的双瓣状

图源：C. Matonti 等(2019)

令人激动的是，NASA的新视野号探测器最近带回了飞越小行星486958的图像。小行星486958是一个位于柯伊伯带(彗星和其它太阳系边缘微小天体的聚集处)的海王星外天体。图像显示此天体也是双瓣状，尽管与罗赛塔号监测的彗星相比更加扁平。

柯伊伯带小行星486958的首次成像(左)与罗赛塔号两年前拍摄的彗星(右)外形惊人地相似。图源：左 - NASA/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/美国西南研究院；右 - 欧空局/罗赛塔号/NAVCAM导航相机

“他们的相似度极高，但是同样的压力结构似乎并不存在于小行星486958。”克里斯托弗说道。随着探测器带回更多细节的照片和仔细的分析，时间会告诉我们小行星486958是否有过与67P/C-G类似的经历。

“彗星对于我们了解太阳系的形成和演变至关重要。”欧空局罗赛塔计划负责人马特·泰勒(Matt Taylor)说道。“我们仅仅通过宇宙飞船观测过少量彗星，而67P是目前我们看过最细节的彗星。罗赛塔号为我们揭开了这些冰态太阳系观光者的许多谜团。根据最新的结果，我们可以前所未有地探索太阳系边缘和它诞生之初的样子。”

BY:Lee Cavendish

【084、强势围观！幽灵粒子旅行7.5亿光年，最终被埋在南极冰层下】

2021-04-22 天文在线

简介：位于约7.5亿光年外的星系中的一个重达3000万个太阳的黑洞吞噬了一颗恒星。科学家在2019年4月发现了它。但是六个月后，南极的望远镜捕获到了这一事件产生的中微子。尽管物理学家已经预测中微子是在潮汐破坏事件中产生的，但天文学家从未将中微子与特定的TDE现象结合在一起，这使它成为了引人注目的首创。关于中微子为何在事件爆发六个月后到达地球仍然未知。

当黑洞吞噬恒星时，潮汐中断的图像。

最近发现两个特大质量黑洞在吞噬了邻近的恒星后发出了神秘的延迟信号。这个明亮的环是积吸盘，它是一个环绕在黑洞附近的物质环，而喷射出来的物质被送入太空。（图源：德国电子同步辐射加速器，科学传播实验室）

这是科学家们有史以来第一次收到了来自两个吞噬了邻近恒星的超大质量黑洞的神秘延迟信号。

在第一个情况中，一个大约位于7.5亿光年之外的星系中、重量相当于3000万个太阳的黑洞吞噬了一颗离它很近的恒星。2019年4月，科学家发现了这一现象发出的光，但6个月后，南极洲的一台望远镜捕捉到了一种高能量的幽灵粒子——一种中微子，这显然是在吞噬盛宴期间发出的。

第二个事件涉及到一个超大质量黑洞，其质量大约是太阳的100万倍，位于大约7亿光年之外的星系中。天文台在2015年8月发现它在一颗恒星上发射，然后在2016年2月突然爆发无线电波，然后在近四年后的2019年7月再次出现。

这两种情况都涉及到所谓的潮汐中断事件，即超大质量黑洞利用其巨大的引力将一颗恒星撕成碎片——本质上是月球引力引起地球潮汐的极端版本。但这样的宇宙事件仍然没有被很好地理解，这两项新发现将极大地帮助天文学家解开它们的内部运作。

“每当我们侦测到一个新的潮汐中断现象，总会有一些令人兴奋和难以意料的事情与之相关，”在香港大学研究高能天体物理学的戴简在《生名科学》上如是说。“所以有很多新的物理现象可以研究，”戴简添加到，但她没有参与这两个发现。

研究人员将潮汐中断事件归类为“短暂”现象，因为它们通常会在几天的过程中闪光，然后再暗淡下来。以色列耶路撒冷希伯来大学天文学家阿萨夫·霍雷什告诉《生活科学》，在这种情况下，究竟是什么产生了光还不完全清楚，他是两篇关于这一新事件的论文的合著者。

当超大质量黑洞撕裂它的恒星大餐时，恒星从“意大利面状”，变成了一条长长的细流。这种材料的洪流包围着黑洞，有人认为当它环绕时会产生能量喷射，就如水会减少排干一样。虽然其他模型预言的一些之前的恒星可能会向外爆炸，与周围的气体和尘埃产生耀斑，霍雷什这么说。

一个以恒星为食的超大质量黑洞喷出了一颗破坏性的潮汐耀斑

在数亿光年之外的一个超大质量黑洞将一颗恒星撕成碎片后，它又将一些物质吐回了太空。其他物质围绕黑洞中心旋转，形成一个明亮的吸积盘。(图片来源:德国电子同步辐射加速器，科学传播实验室)

鉴于黑洞周围的极端环境，粒子可以在类似于瑞士日内瓦大型强子对撞机的原子加速过程中大大加速。中微子是比电子轻约50万倍的微小粒子，而且是中性的(不带电)，在宇宙中飞行时不会与太多物质发生相互作用。

这使得一个中微子可以从第一次潮汐中断现象开始向外移动，并朝着地球移动，最终出现在一个被称为冰立方中微子观测站的平方公里大小的仪器中，这个仪器被埋在南极冰层中。2月22日发表在《自然天文学》杂志上的一篇新论文称，研究人员将探测到的中微子标记为IC191001A，并计算出它拥有近1千万亿电子伏的能量，使其成为冰立方有史以来最强大的中微子之一。

虽然物理学家曾预测中微子是在潮汐中断事件中产生的，但天文学家从未将中微子与某一特定的潮汐中断现象联系起来，这是第一次壮观的发现。至于他为什么在事件发生6个月后才到达，霍雷什说“我也不知道，”。

类似的谜团围绕着他领导的第二项研究，也发表在《自然天文学》上。在这种情况下，光——我们眼睛看到的那种光——从一个吞噬一切的黑洞中闪耀出来，然后消失，就像这些现象通常发生的那样。

霍雷什和他的合著者决定利用新墨西哥州的卡尔·詹斯基的甚大阵列射电望远镜进行后续研究，该望远镜可以探测无线电波。他们在几个月的时间里没有看到任何来自黑洞的东西，然后，在最初事件发生6个月后，突然出现了一个明亮的射电耀斑。更奇怪的是，近四年后甚大阵列收集的数据显示了另一次奇怪的射电能量爆发。

“有人可以编造一个故事，解释为什么我们在六个月后看到了一些东西，”霍雷什说。“无法解释为什么它会突然爆发，然后衰减，然后又突然爆发。它真的很有趣。”

他指出需要新的模型来解释这些延迟信号。他的团队推测，部分能量喷流以奇怪的角度喷射出来，在吸积盘旋转时产生了有时可见有时不可见的耀斑模式。另一种可能性是，恒星残骸驱动激波缓慢穿过黑洞周围的物质，随后产生能量发射，尽管没有人真正知道。

但考虑到这些事件现在似乎比最初怀疑的持续时间更长，霍雷什期待能够发现更多的潮汐中断事件，从而对其性质有更深入的了解。

戴也对探索潮汐中断现象的奥秘的前景感到兴奋。“这些事件是理想的了解黑洞的实验室，”她说，这为研究人员提供了重要的关于了解物质如何在黑洞周围增生，并产生喷射流和耀斑的线索。

她补充说，预计将于今年开始收集数据的智利维拉·c·鲁宾天文台，理论上可能会观测到数百个新的潮汐中断现象；而来自欧洲和中国的其他即将到来的太空仪器应该会增加这一收益。

“这个领域的前景非常光明，”她说。

最初发表在生活科学上。

作者: Adam Mann

【085、人类首张黑洞照片的三大看点】

2019-04-10 Qzone

人类获得的首张黑洞照片10日面世。这一重大科学成果由全球多国科研人员历经数年合作完成。那么，这张照片在科学上有多重要？拍到黑洞照片有多难？中国又发挥了什么作用？

“具有历史性意义”

两百多年前，就有科研人员设想宇宙中存在一种质量巨大、引力强到连光也无法逃脱的天体。爱因斯坦在一百多年前提出的广义相对论，可用于计算出这种天体的若干性质。但黑洞作为一个科学术语，直到20世纪60年代才由美国天体物理学家约翰·惠勒提出。

几十年来，黑洞引发人们无数遐想，但没有人知道它的真正模样。正因为这个，第一张黑洞照片才备受期待，被誉为“非凡的科研成果”，是天文学上的“重要里程碑”，“具有历史性意义”。

给黑洞拍照的“事件视界望远镜”项目科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克告诉新华社记者，黑洞涉及人类对宇宙的根本了解，“我们的宇宙中有两大理论，爱因斯坦的相对论描述了宏观，量子力学描述了微观，但是在黑洞的边缘，相对论与量子力学无法协调，在那里可能会发现新的东西”。

美国亚利桑那大学天文学副教授丹尼尔·马罗内认为，黑洞之所以重要，是因为它在长时间尺度上会影响宇宙演化。但人们并没有完全了解黑洞如何吞噬物质，然后又将其中一部分以接近光速向外喷射，影响其所在星系。黑洞照片不仅将为广义相对论提供新信息，也有助于了解黑洞喷流的形成过程。

1919年，人们在非洲和南美出现日食时观测到光线的弯曲，从而验证了广义相对论相关预言的正确性。百年后发布的黑洞照片，又一次支持广义相对论。不由让人想起被多次重复的那句话：爱因斯坦又对了。

“上一代人不可能做到的事”

由于光线无法逃出黑洞，科研人员要拍的实际上是黑洞产生的“阴影”以及周围的吸积盘等，从而描绘出黑洞的轮廓。此次拍照的一个目标是代号为M87的超巨椭圆星系中心黑洞，它的质量是太阳的65亿倍，但离我们实在太远，达到5500万光年。

要拍摄这么远的对象，科学家模拟出口径像地球一样大的望远镜，这就是“事件视界望远镜”，它集合了分布在全球各地的多个射电望远镜。从智利阿塔卡马沙漠到南极冰原，从西班牙的高山到夏威夷的海岛，8个射电望远镜通过“甚长基线干涉测量技术”联合起来，成功拍到人类历史上第一张黑洞照片。

谈及给黑洞拍照的难度，项目协作委员会主席、德国马克斯·普朗克射电天文研究所所长安东·岑苏斯打比方说：“如果地球是平的，那使用这一技术可以从波恩看清纽约街头报纸上的字。”

经大约两年的数据处理及理论分析，照片才成功“冲洗”出来。照片展示了一个中心黑色的明亮环状结构，有点像甜甜圈，也与此前科幻电影《星际穿越》科学顾问根据相对论等模拟的黑洞图片相似。“事件视界望远镜”项目专家认为，与理论预测一致，这也证明拍到的就是黑洞。

“我们已经完成了上一代人认为不可能做到的事情，”项目主任、美国哈佛-史密森天体物理学中心的谢泼德·杜勒曼总结说，“技术的突破、世界上最好的射电望远镜之间的合作、创新的算法都汇聚到一起，打开了一个了解黑洞的全新窗口。”

此外，此次合作汇集了全球超过200名研究人员的共同努力，项目协调并非易事。项目科学委员会主席法尔克说：“不同文化、不同机构、不同国家和大洲（的科研人员）走到一起合作并不容易，但如果有共同愿景的驱动，有首次看到黑洞的共同梦想，合作就变得可能。”

“期待中国成为重要一员”

在“事件视界望远镜”项目中，中国科学院天文大科学研究中心（国家天文台、紫金山天文台和上海天文台）参与了位于美国夏威夷的东亚JCMT望远镜对黑洞的观测，多名中国学者是此次黑洞照片相关论文的作者。

不过，中国天文学界清醒地认识到目前的“参与者”角色。中国科学院国家天文台副台长薛随建指出，这次“算是重在参与”，但为在相关科研领域“机制性参与国际合作组织、逐渐发挥越来越重要的作用，做出了良好的示范”。

毫无疑问，“在中国科学界参与的三十米望远镜（TMT）等其他重大国际项目中，那些可预期和不可预期的重大发现将更加激动人心，”薛随建在接受新华社记者采访时说。

太空可能是中国未来能发挥更多作用的地方。法尔克说，今后要拍摄更好的黑洞照片，就需要比地球还大的望远镜，这就需要走向太空，“中国在射电干涉测量技术和太空探索方面的能力正快速增长，我期待未来中国能成为这个领域的重要一员”。

回顾与国际同行共同拍出人类首张黑洞照片的经历，中国科学院上海天文台研究员路如森说：“作为长期深度参与‘事件视界望远镜’国际合作的中国研究人员，我觉得这张黑洞照片是科学共同体的努力结果。科学对人类发展至关重要，人类的科学共同体也是人类命运共同体的重要组成部分。”

【086、神秘圆环显身，天文学家也不能解释，它们到底是什么？】

2021-05-17 天文在线

“指环”王——在过去几年里，天文学家在遥远的宇宙中发现了一些巨大的、几乎是完美圆形的射电天体。尽管还没有人能解释这些神秘的实体，但一个团队在他们的目录中添加了另一个实体，这可能会让他们离解决这个难题更近一步。

2019年，36个位于西澳大利亚州用于扫描天空在电磁频谱的射频部分的巨大碟形望远镜，也就是澳大利亚平方公里阵列路径探测器（ASKAP），开始制作整个夜空的地图，不久之后，神秘的射电天体这一谜题便浮现了。

澳大利亚平方公里阵列路径探测器（ASKAP）的科学家们主要在搜寻能够证明黑洞存在的发光源，或是在无线电波中发光的巨大的星系。但澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）和澳大利亚西悉尼大学的银河天文学家，贝尔·科里巴尔斯基（Brbel Koribalski）告诉生命科学网站，研究团中的一部分人还一直致力于搜寻“任何奇怪的、新的、看起来前所未见的东西”。

在他们搜集到的数据中，位于新墨西哥州索科罗的国家射电天文台研究员安娜·D·卡宾斯卡（Anna D.Kapińska）发现了四个明亮的无线电圈，卡宾斯卡回忆起当时的场景，尽管最初其他的研究员都只认为将其视为常见现象而忽略了。

但当望远镜尝试以其他波长（例如我们常见的可见光）去勘测那些物体时，那些物体便消失了，所以研究团队便将之称为“奇异电波圆环（ORCs）”。

而更为奇怪的是，每一个“奇异电波圆环”都有一个几乎完全位于其中心的星系，状如牛眼。天文学家们能够判断这些天体每个都相距几亿光年，并且直径可达几百万光年。

以前从未有人看过如此情形。在去年发表的论文当中，该研究组发表了对于此情景的11种推测，包括成像故障、时空扭曲（亦被称作“爱因斯坦环”）或者超新星爆炸所产生的一种新型残余物。

研究人员一直以来都在使用澳大利亚平方公里阵列路径探测器（ASKAP）来扫描天空，并发现了一个新的“奇异电波圆环”，一个距离我们三亿光年、宽约一百万光年的天体。4月27日，研究人员将这一发现发布于预印本数据库arXiv，这一发现也被《皇家天文学会月刊》所接受发表。

研究员科里巴尔斯基表示，研究团队现在已经将其猜测结果缩小到三个可能的解释。第一，在该天体的附近可能存在别的形成星团的星系，并且将发光物质扭曲成为了环状结构。而这些发光物质或许过于微弱，目前的望远镜还无法观测到。

另一种解释是位于这些星系中心的特大质量黑洞吞噬了气体和灰尘，同时释放了巨大的圆锥形的粒子和能量喷流。天文学家经常在宇宙中观测到这样的现象，虽然一般这样的喷流都是与地球对齐的，所以观测者一般将之视为正在远离银河系的边缘。

研究员科里巴尔斯基表示，而在“奇异电波圆环”中，这些喷流则是正向着地球，所以我们在本质上是在看着一个长筒的管道，而这就在在中央星系的周围创建了一个圆形的二维图像。

“另一种解释更为激动人心，” 她表示，“这将是空前的。”

这些星系中很可能正发生着一些不为人知但高能量的事件，创造出了一阵以球体形式传播出去的爆炸波，并最终形成圆环形状。研究员科里巴尔斯基还不能确定怎样的事件才能留下这样的标志，但这很可能是之前相撞黑洞的未知产物，例如在美国大型干涉仪重力波天文台（LIGO）观测到的引力波中所见的那种。

但没有参与这项工作的荷兰射电天文研究所的天文学家哈里斯·韦丹坦（Harish Vedantam）赞成一个更简单的想法：“奇异电波圆环”是一种众所周知的现象，就是从一个星系中以罕见角度射出的喷流罢了。

在这方面，Vedantham遵循的是奥卡姆剃须刀的原理，与普通的新奇解释相比，它更喜欢平凡的解释。“你可以构建一个奇异的场景”，他告诉《生活科学》，“但最简单的答案几乎总是正确的。”

同样，ORC是看不见的星系团的可能性对他也没有吸引力，因为“隐藏星系团是有难度的”。他还补充说，这些天体距离很远，但还不算特别远，因此至少应该有几个额外的星系值得被关注。

Vedantham和Koribalski都同意，在其他波长下进行更多的望远镜观测将有助于科学家更好地了解正在发生的事情。Koribalski说，新数据将在未来六个月左右到来，有望在其目录中增加其他ORC。

同时，她在一定程度上享受着这种神秘感。她说：“您成为一名侦探。您会仔细查看所有线索，并将它们相互权衡。”“有时候，宇宙就是会出现奇怪而美妙的形状。”

BY： Adam Mann

【087、十二个著名宇宙黑洞：星系中心隐匿超大黑洞】

2010年11月18日新浪科技

据国外媒体报道，黑洞是宇宙中最令人捉摸不透的神秘天体。现在让我们盘点一下宇宙中最著名的几个黑洞候选目标。

1.天鹅座X-1双星系统

天鹅座X-1双星系统天鹅座X-1双星系统

这张照片是天鹅座X-1双星系统的X射线照片，这是科学家们第一个怀疑是黑洞的天体。照片由美国宇航局马歇尔空间飞行中心的一个小组于2001年5月23日拍摄。

2.天鹅座X-1的无线电波段图像

天鹅座X-1的无线电波段图像天鹅座X-1的无线电波段图像

这是一张天鹅座X-1的无线电波段图像，打叉的位置标示出黑洞的位置。图像左侧(东侧)是一团稠密的气体云，属于星际尘埃物质。天鹅座X-1中的黑洞发出的强大喷流已经在这些气体云中吹出了一个“气泡”，向黑洞的北侧和西侧(右侧)膨胀。

3.最强大黑洞喷流

最强大黑洞喷流最强大黑洞喷流

借助欧洲南方天文台的甚大望远镜以及美国宇航局钱德拉X射线空间望远镜的数据，天文学家们发现了一个迄今已知最强大的黑洞喷流。这一黑洞吹出了一个一个巨大的炽热气泡，直径达1000光年。这比任何其他微类星体要大上两倍，能量则要高出数十倍。这一黑洞属于一个双星系统，可以从这张艺术想象图上看到它们的样子。

4.星系核心隐藏超大质量黑洞

星系核心隐藏超大质量黑洞星系核心隐藏超大质量黑洞

这张艺术想象图表示显示的是一个核心隐藏有一个超大质量黑洞的星系。这个隐藏的黑洞正发出射电喷流。一项由美国宇航局喷气推进实验室(JPL)理论天体物理学家大卫·伽罗法罗(David Garofalo)领导的最新研究显示反向旋转的黑洞将可能产生更多剧烈的气体喷流。这项研究对于了解星系随时间的演化过程具有重要意义。

5.超大质量黑洞附近时空发生扭曲

超大质量黑洞附近时空发生扭曲超大质量黑洞附近时空发生扭曲

这张图像是一幅艺术想象图，显示在星系中心一个超大质量黑洞附近时空发生的扭曲效应。黑洞会吞噬周遭的暗物质，其速率取决于其质量大小以及其周围暗物质的丰度。

6.年轻的黑洞

年轻的黑洞年轻的黑洞

这张图像显示的是一个年轻黑洞。最近美国宇航局斯必泽空间望远镜便发现了两个类似的遥远天体，它们是周遭没有尘埃的类星体。

7.星系中心存在超大质量黑洞

星系中心存在超大质量黑洞星系中心存在超大质量黑洞

这张图像显示一个星系中心存在一个超大质量黑洞。图中可以看到星系的旋臂呈现黄色和白色，而其中的那个超大质量黑洞则向垂直方向爆发出了强大的喷流，在图上呈亮黄色。

8、精确测量黑洞距地距离

精确测量黑洞距地距离精确测量黑洞距地距离

一个国际天文学家小组近期首次精确测量出了地球到一个黑洞的距离。

9.呈黄色的氢气云

呈黄色的氢气云呈黄色的氢气云

在图像左侧可见一团看上去呈黄色的氢气云。而在右侧，这里发出的蓝光显示星系中心正在孕育一个超大质量黑洞。氢云在这张图像上呈现黄色。

10.大型星系

大型星系大型星系

这张图像中的大型星系属于钱德拉X射线天文台一份研究中涉及的9个大型星系之一。其中心部位隐匿着一个超大质量黑洞。

11.半人马座A星系

半人马座A星系半人马座A星系

这是我们银河系的近邻：半人马座A星系，其中心存在一个巨大的黑洞，它正在吞噬和半人马A发生碰撞的另一个较小的星系。

12.被抛射出去的黑洞

被抛射出去的黑洞被抛射出去的黑洞

这是一张哈勃空间望远镜图像，红圈中的天体可能是一个被抛射出去的黑洞。

【088、事实证明，您可以从黑洞中得到一些东西，但这并不容易】

2021-05-13天文在线

简介：黑洞的定义特征之一是什么都不会从它们中出来。但是，就像科学上的许多思想一样，当您仔细观察时，这种绝对陈述会变得有些相对。您可以从黑洞中得到一些东西：能量。

黑洞的最大特征之一是任何东西都不能从黑洞中出来。这也是黑洞名字的由来；它们就像一个无底洞，连光都无法逃脱。一个黑色的洞。

但是，就像科学界有很多思想一样，当您进一步观察时，这种绝对想法就变得有点相对了。您可以从黑洞中得到一些东西：能量。并且，事实证明，您可以得到得很多，很多很多。

一篇最新发表的文章表明了如何利用磁场从黑洞中获取大量的能量，并且可能为我们在黑洞周围看到的一些天体物理学现象提供能量。这不是一件容易的事情，这项技术不像是您能给您的手机充电或者房屋供暖（更像是把他们蒸发成亚原子粒子，然后以接近光速的速度向外推进），但是它仍然非常的酷。

从某些方面，黑洞可以被简单的描述为：吸收一个有质量的物体，并且将其压缩到与光速相当的速度。当这种情况发生时，任何靠得太近的物体都会被吸收进来。没有任何事物能够逃脱。

实际上，您可以用经典的物理学规律（牛顿定律）来描述它们，但是，您需要用爱因斯的广义相对论才能够完全理解它。数学很快就变得复杂起来，甚至连概念也变得晦涩起来。但是，当您应用GR时，您会发现一个黑洞，任何黑洞，都能完全的被这三个性质确定：它的质量、它的角动量、它的电荷。

一个经典的黑洞只有质量，它把空间和时间都扭曲了，很多重要的东西都取决于它的质量。但是，它也可以旋转，在很多方面就像一颗行星、陀螺或恒星一样。事实上，许多（如果不是大多数的话）旋转的速度非常接近光速了。

一个注释版的黑洞模拟解释了这个奇异物体的各个部分

黑洞还能做另一件非常奇怪的事情：当他们旋转时，它们会拖拽周围的时空结构，就像奶昔围绕着搅拌机上的刀片旋转一样。这被称为参考系拖拽（或者更专业的说，叫做冷泽-提尔苓效应），它有一些奇怪的副作用。例如，如果您在黑洞周围一个叫做能层的区域，您简直不能坐着不动；在这个体积空间内部，它本身被拉动向旋转的方向旋转，因此，无论您是否愿意，您都围绕着黑洞旋转。这就像是被连着一个循环跑步机一样。您一圈又一圈的跑着。

但是，这是释放能量的关键。物体自转需要能量，减慢它的速度可以释放能量，并且，一个旋转的黑洞拥有很多的能量。但是，在地球上、宇宙中，这又是怎么做到的呢？

带有吸积盘和喷射的黑洞

在艺术家眼中，黑洞的周围有物质在吸积盘中旋转，同时也有一股物质喷流从黑洞中喷射出来

从理论上讲，有很多方法，但是，迄今为止，理论家们还没有深入探究过一种叫做磁重连的方法。

高温气体的能量非常高，以至于电子从它们的原子中被剥离出来，我们称之为等离子体。当等离子体中的带电粒子四处移动时，它们会产生一个非常强烈的磁场。磁场线（就像您在条形磁铁图中看到的那样）可以非常强，并赋予它们张力—把它想象成弯曲的钢琴谱线；您必须施加很大的力才能使它弯曲。如果您放手，啪！

围绕黑洞运行的等离子体会产生非常强的磁场。当等离子体相互冲撞时，磁力线也会被缠绕、纠缠和折断。当它们这样的时候，就会释放能量。它们这样一是通过加速它们周围的亚原子粒子，有时亚原子粒子的速度接近光速。太阳表面的太阳耀斑就是这样产生的，所以这是一个真实的效应。

这就是事情变得奇怪的地方（是的，当然，我知道您在这样想；这就是）。

粒子由能量产生，并成对地被炸飞。如果排列正确，其中一个粒子会朝着黑洞旋转的方向发出巨响离开，而另一个粒子则会朝着相反的方向离开。如果这发生在能层内部，与自旋方向相同的粒子就会逃逸到空间去。另一个反向旋转的粒子就会掉进黑洞。但是，因为它的运动方向与自旋方向相反，这实际上减缓了黑洞的速度。

黑洞的减速，意味着黑洞能量的释放，这部分能量被逃逸的粒子所带走。从您的角度来看，站在黑洞的外面，您只会看到粒子以接近光速的速度被抛出来，而黑洞的速度会慢一些。

换句话说，能量是从黑洞中被提取出来的。

这是一个黑洞撕碎恒星的艺术作品，它创造了一个旋转的吸积盘周围的物质，并在其磁场的作用下爆炸出巨大的物质束。

在科学家的论文中，计算出能量效率是150%-这意味着您得到的能量比您投入的能量要多。这听起来不可能，但请记住，您正在利用的是一种已经存在的能量来源，即黑洞的旋转。因此，能量不是凭空产生的。

这个过程可以产生大量的能量。现在，请您注意，在这种情况下-亚原子粒子的辐射场强足够把您烤熟—这种能量对我们人类并不是很有用处。也许在几千年以后，我们会有一个技术阶段，在这个阶段，我们可以到达一个黑洞，并且使用它的能量，但是，现在这还远远超出了我们的能力。

但是不自然。当我们观察黑洞，尤其是活跃星系中心的黑洞时，我们看到它们燃烧着大量的能量。原因并不完全明白；一种观点认为，来自它们周围圆盘状物质的物质突然坠落，爆发出强大的能量爆发。但有可能等离子体中的磁重联正以巨大的速度加速粒子，使其速度仅略低于光速。如果是这样的话，那么自然正在做我们自己做不到的事情：从黑洞中取出一些东西。并且，这是一个很大的东西，因为很容易在活跃的星系中看到比太阳光亮亮几百万倍的耀斑。

现在，您可能不想站得离这样的消息源太近。但是，如果有一种方法可以利用（并储存！）它，几秒钟的能量就可以为整个人类文明提供很长很长时间的能量供应。

有一天，首先要解决一些技术问题。但是，我可以想象，在未来，每间房子都有一个旋转的量子黑洞，它不仅能提供您所需要的所有能量，而且，如果以旧的重力方式使用，还能做一个体面的垃圾处理。

如上所述，这是“不好的”；尽管完全质子反转的问题还没有显示出有统计学差异（Spengler et al.， 1985）。

by: Phil Plait

【089、天文学家刚刚发现黑洞可以打嗝而且一连二次】

2018年01月13日cnBeta.COM

事实证明，黑洞有和人类打嗝相似的习惯，天文学家刚刚捕获了宇宙最具破坏性的实体之一黑洞打嗝的照片证据，这个黑洞并不是一次打嗝，而是连续两次打嗝。科学家利用人类最强大的太空观测工具——哈勃望远镜和钱德拉太空望远镜——已经在两个不同的事件中观测到了在遥远的星系中喷射热气的黑洞。这个名为SDSS J1354 + 1327的星系距离地球约8亿光年。

本周在美国天文学会（American Astronomical Society）的一次会议上天文学家介绍了这些观测结果，在最清晰的照片中，一个巨大的打嗝开始从黑洞左上方射出，而一个较旧的打嗝的残余物可以被发现仍然在下面消散。虽然这两个事件被认为间隔了大约十万年，但是当我们谈论黑洞活动的时候，这实际上是一个非常短的时间。研究人员认为，黑洞之所以打嗝，因为它正在消耗大量的附近物质。这个黑洞的大肚子正在吮吸着大量的物质。

【090、为什么黑洞是宇宙中最可怕的东西】

2020/11/10 新浪科技匀琳

据国外媒体报道，在宇宙中，却是没有什么比黑洞更可怕了。

黑洞，是宇宙中一处引力极其强大的区域，任何物质都无法从中逃离。最近，黑洞这个话题也时常见诸报端。2020 年诺贝尔物理学奖一半授予罗杰 · 彭罗斯，获奖原因是他的数学工作证明黑洞是爱因斯坦引力论的不可避免结果。安德里亚 · 格兹和莱茵哈德 · 亨泽尔共享了另一半诺贝尔物理学奖，获奖理由是他们发现银河系的中心是一个巨大的黑洞。

黑洞尤其可怕的理由有三。如果你掉入一个恒星死亡时形成的黑洞，你将会被撕碎；同样地，所有星系中心的超大质量黑洞仿佛永远都是饥肠辘辘；以及，物理定律在黑洞内不再适用。

克里斯·英佩研究黑洞已有 30 多年，尤其专注研究潜伏在星系中心的超大质量黑洞。大多数情况下，这些黑洞处于非活动状态。但是，一旦活跃起来，它们会吞噬恒星和云气，靠近黑洞的区域会比该区域所在的整个星系都更加耀眼。有活跃黑洞的星系，我们称之为类星体。尽管过去数十年我们已经掌握了大量有关黑洞的信息，但仍有许多谜团等待我们去解决。

死于黑洞

一颗大质量恒星死亡时，可能会形成黑洞。恒星的核燃料用尽之后，其核心塌缩成为密度极大的物质，是原子核密度的一百倍还多。在如此大的密度之下，质子、中子和电子不再是离散的粒子。由于黑洞漆黑一片，所以我们只能在黑洞绕一颗正常恒星运行时，才能找到它。正常恒星的特性可以让天文学家推测出该恒星的黑暗伴星——黑洞的特性。第一个被发现的黑洞是天鹅座 X-1，也是天鹅座星座中最明亮的 X 射线源。

黑洞是物质的坟墓；任何物质，甚至是光，都无法逃离黑洞。任何人掉入黑洞，等待他的命运将是一段非常痛苦的 “意大利面条化”过程。这是斯蒂芬 · 霍金在《时间简史》中提出的一个有趣比喻。在意大利面条化过程中，黑洞的巨大引力会把你拉得很长，把你的骨骼、肌肉、筋骨乃至分子一个个分开。但丁的诗歌《神曲》中刻在地狱之门上的文字——“入此门者了断希望”，非常生动地描绘了这个过程。

每个星系中的饥饿怪物

在过去 30 年中，人们借助哈勃太空望远镜观测到，所有星系的中心都有一个黑洞。星系越大，黑洞也越大。

大自然知道如何制造出质量天差地别的黑洞，从数倍于太阳质量的恒星残骸到几百亿倍太阳质量的怪物等等。这之间的差距，好比一只苹果和吉萨金字塔之间的差距一样。

就在去年，天文学家发布了有史以来第一张黑洞照片和其事件视界。这是位于 M87 椭圆星系中心的一个质量为 70 亿太阳质量的巨兽。

它比我们银河系中心的黑洞还大一千倍。这些黑洞大多数时候都是漆黑一片，但是当它们的引力吸引附近的恒星和云气时，它们会爆发出剧烈的活动并释放大量辐射。大质量黑洞的危险性存在于两方面。首先，如果你靠得太近，巨大的引力会将你吸入黑洞。其次，如果它们正处于活跃的类星体阶段，你可能会被高能量辐射烤焦。

类星体有多明亮？想象一下，夜晚，你盘旋在洛杉矶这样的大城市上空。汽车、房屋和街道的灯光就是星系中的恒星。以此类推，活跃状态的黑洞就好比洛杉矶市中心一个直径 1 英寸的光源，却照亮整座城市。类星体是宇宙中最耀眼的天体。

奇怪的超大质量黑洞

迄今为止，人类发现的最大黑洞的质量是太阳质量的 400 亿倍，或者说是太阳系直径的 20 倍。太阳系外行星的轨道周期是 250 年，而这个超大质量天体却可以每三个月旋转一周。它的外边缘的移动速度是光速的一半。和所有黑洞一样，超大黑洞也隐藏在事件视界背后，让人无从知晓其真面目。而黑洞的中心则是一个奇点，即密度无限大的一个点。我们无法了解黑洞的内部，因为物理定律在这里不再适用。时间在事件视界处冻结，引力在奇点处变得无限大。

但有一个好消息是，如果你掉入一个超大质量黑洞，你可能有幸存活下来。和小一点的黑洞相比，虽然它们的引力更强，但张力却弱一些，所以不会要了你的命。坏消息是，事件视界犹如深渊的边缘。一旦进入了事件视界之后，再想出来绝无可能。所以，你掉入其中之后，即便没有死，也逃不出来，更不用说向别人讲述自己的经历。

根据斯蒂芬 · 霍金的说法，黑洞正在缓慢地消失。在宇宙的遥远未来，所有恒星都死去之后，所有星系在加速的宇宙膨胀作用下越来越分散之后，黑洞将是宇宙中最后留存的天体。

最大的黑洞可能需要很长时间才会消失。而这个很长时间，接近永恒。换言之就是，宇宙中最可怕的天体近乎永恒存在。

【091、吸积盘】

吸积（accretion）是指致密天体由引力俘获周围物质的过程。吸积过程广泛存在于恒星形成、星周盘、行星形成、双星系统、活动星系核、伽玛射线暴等过程中。

如果被吸积的物质相对于中心天体没有足够的角动量，物质将沿径向流向中心天体，形成球对称吸积。但是，一般来说，被吸积物质具有较大的角动量，它们不会沿径向直接落到中心天体上，而是围绕中心天体旋转，形成一个作较差旋转的盘状物，称为吸积盘。盘的内边缘处的物质沿着螺旋轨道落向中心天体。吸积过程中要释放大量能量。这一过程常伴有抛射现象，如喷流。致密天体有着很强的引力场，吸积非常重要。致密天体的吸积是最有效的释放能量的方式，其效率甚至比核反应还高。吸积理论在天体物理中有着广泛的应用。X射线密近双星、激变变星、活动星系核的许多观测现象都需要用吸积盘模型来解释。

定义

宇宙中有两类吸积是重要的。第一类是小颗粒互相碰撞并粘在一起以形成较大物体的过程。碰撞必须“恰到好处”才能发生这种情形——如果碰撞过于猛烈，就会击碎物体（撕裂）而不是让它们粘在一起。当太阳从空间一个气体尘埃云中诞生，并在自身引力作用下坍缩时，年轻太阳周围形成了一个向赤道平面沉降的物质盘。这很像我们今天看到的土星环在更大规模上的翻版。太阳系中的行星和其他天体，就是在这个开始时有大小不超过1毫米的细小颗粒构成的旋转物质盘中，通过吸积而形成的。

第二类吸积是大质量天体通过其引力场的吸积从周围获取物质的过程。像我们太阳这样的普通恒星就在不断地从星际空间吸积物质，不过规模很小。拥有较强引力场的天体，如中子星和黑洞，其吸积要强烈得多。于是，向天体跌落的物质（多半来自双星系统中的邻近伴星）形成一个吸积盘。因为物质在引力场中降落时获得能量，盘中的原子又互相碰撞，所以原子的温度可以变得很高，以致能辐射X射线。以极大规模在一些包含数百万倍太阳质量的黑洞的星系的中心发生的这类过程，有可能提供类星体的能源。

吸积分类

宇宙中有两类吸积是重要的。

第一类是小颗粒相互碰撞并粘在一起以形成较大物体的过程。碰撞必须恰到好处才能发生这种情形——如果碰撞过于猛烈，就会击碎物体而不是让它们粘在一起。当太阳从空间一个气体尘埃云中诞生，并在自身引力作用下坍塌时，年轻太阳周围形成了一个向赤道平面沉降的物质盘。这很像我们今天看到的土星环在更大规模上的翻版。太阳系中的行星和其他天体，就是在这个开始时由大小不超过1毫米的细小颗粒构成的旋转物质盘中，通过吸积而形成的。

第二类吸积是大质量天体通过其引力场的吸引从周围获取物质的过程。像太阳这样的普通恒星就在不断地从星际空间吸收物质，不过规模很小。拥有较强引力场的天体，如中子星和黑洞，其吸积要强烈的多。于是，向天体跌落的物质（多半来自双星系统中的临近伴星)形成一个吸积盘。因为物质在引力场中降落时获得能量，盘中的原子又互相碰撞，所以原子的温度可以变的很高，以致能辐射X射线。以极大规模在一些包含数百万倍太阳质量的黑洞的星系中心发生这类过程，有可能提供类星体的能源。

球对称吸积

球对称吸积是一种最简单的吸积过程。假设在密度为ρ、温度为T的均匀、静止介质中，存在一个静止的、质量为M的中心天体，介质粒子的质量为m，动能为kBT，以中心天体为中心定义吸积半径Ra：

其中cs为等温声速。位于吸积半径处的粒子动能与引力势能之和为零，吸积半径以内的粒子热运动不足以克服引力作用而被中心天体吸积，位于吸积半径以外的粒子不会被吸积。在介质的扩散作用影响下，中心天体的吸积率约为，吸积物质的总角动量为零。

点质量的物体在密度均匀、温度不太高的介质中运动的吸积过程称为邦迪-霍伊尔-利特尔顿吸积（Bondi-Hoyle-Lyttleton Accretion），或者邦迪吸积。如果中心天体相对于介质以速度V运动，粒子的动能近似为，此时的吸积半径称为邦迪吸积半径：

天体的运动速度一般远高于介质的声速，扩散作用可以忽略，吸积率约为，如果吸积物质没有严格的柱对称性，则总角动量不为零，可以形成吸积盘。

轴对称吸积如果吸积物质带有足够高的角动量，则有可能形成吸积盘。吸积物质流的角动量损失一般很慢，而能量不断耗散，最终位于角动量一定的情况下能量最小的轨道，即圆轨道上，并且几乎以开普勒速度绕中心天体旋转。该轨道的半径称为圆化半径：

其中l是单位质量的吸积物质具有的角动量。吸积盘形成的必要条件是天体的半径远远小于圆化半径，否则吸积物质流会直接落入天体表面，不能形成吸积盘。

吸积盘

吸积盘（accretion disk），环绕一颗恒星或其他天体的物质环，环中物质回旋降落到盘内的天体上。

吸积物质在致密天体周围形成的盘状物。对于没有磁场的致密星，或者在远离强磁场的区域，吸积运动主要由致密星的引力场控制。这时，如果吸积物质没有足够的角动量，则入射流是径向的，形成球对称的吸积。如果吸积物质具有较大的角动量，它们就不会沿径向轨道直接落到致密星上，而是围绕致密星运动，形成一个绕致密星做角差旋转的盘状物，称为吸积盘。吸积盘上的物质，受粘滞性的影响，是沿着螺旋轨道向星体表面旋进的。在星体表面附近，物质密度增加很快，并向外释放能量。吸积盘的具体性质取决于致密星的具体情况，以及吸积物质的原始物理特性。目前，有关X射线密近双星的能源机制等问题，多采用吸积盘模型来解释。

科学家对吸积盘的观察报道

据美国科学日报报道，一组国际研究小组首次观测到黑洞周围存在吸积盘，并验证了之前天文学家们长期预言的吸积盘真实电磁光谱特性。

黑洞和其明亮的吸积盘被认为可以形成类星体(quasar)，它在一些遥远星系中心释放强光。研究小组使用偏振滤光镜将吸积盘释放的光线进行了隔离，吸积盘是由黑洞邻近其他物质形成的。该研究小组成员包括美国加州大学圣芭芭拉分校物理学教授罗伯特·安东努西和欧麦·布莱耶斯。安东努西说，“这项研究工作是令人信服地解释类星体的强有力证据。”

类星体是遥远星系灿烂明亮的内核，位于特大质量黑洞的中心位置，可以形成比太阳明亮1万亿倍的光亮。类星体可能是由星际气体加燃的强大能量来源，星际气体被认为是从周围的吸积盘中吸入黑洞之中。这项最新研究证实了一项长期以来的预测――吸积盘喷射着强烈的发光辐射线。

安东努西指出，天文学家发现许多应用于解释类星体能量来源和光线形成的物理过程都伴随着一些宇宙物质落入超大质量黑洞和在吸积盘周围盘旋，就如同形成黑洞表面(event horizon)的方法一样，黑洞表面是一个球形平面，标志着黑洞的界线。在这一进程中，摩擦力使宇宙物质加热形成所有波长的光谱，其中包括：红外线、可见光和紫外线。最后，这些宇宙物质落入黑洞，从而增加了黑洞的质量。他说，“如果这是真实的，我们可以预测类星体电磁光谱应当进行的物理规则。”但是目前测试这项预测是不可能的，其原因是天文学家不能区分吸积盘散发的光线和黑洞地区灰尘粒子、电离气体云之间的差别。

通过在夏威夷岛莫纳克亚山的英国红外线望远镜(UKIRT)上添加一个偏振滤光镜，研究小组负责人马科托·基什莫托对这些外来的光线进行了评估，并测量了吸积盘的光谱。结果表明其光谱与之前的预测相匹配吻合。研究人员同时使用了从欧洲宇航局甚大望远镜偏振分析器获得的更广泛数据资料。据悉，基什莫托是马克斯-普兰克无线电天文学协会天文学家，也是加州大学圣芭芭拉分校博士后。

偏振滤光镜分析显示，事实上直接光线并没有出现偏振，它并没有在其电场上进行方向排列选择。吸积盘散发直接光线，就如同释放灰尘微粒和电离气体一样。但是，从吸积盘释放少量光线，正是研究人员所期望研究的这种光线，受到离黑洞非常近的气体反射，从而发生了偏振。

安东努西说，“因此我们的研究计划仅针对于偏振光线，就好像这儿并不存在其他的光线，我们能够看到吸积盘所释放的真实光谱。在此基础上，我们能够更好地理解黑洞是如何消耗吞噬物质和进行膨胀扩大。”

安东努西称，通过像类星体这样发光物体的光谱研究分析，可以获得关于特征和进程的大量难以置信的珍贵信息资料。我们对吸积盘物理进程的了解仍十分有限，但目前至少我们确信对此已有全面的认识。

【092、详讯：钱得拉望远镜发现地球附近最年轻黑洞】

2010年11月16日新浪科技

据美国国家航天局(NASA)公布的消息显示，天文学家利用钱德拉X射线望远镜发现距离地球附近最年轻的黑洞，这个黑洞形成只有30年，可能是科学家首次观测到诞生过程的一个黑洞，意味着它为科学家观测这类婴儿期天体提供了独一无二的机会。

此前曾有媒体宣称NASA的此次宣布的发现“足以震惊全人类”，引发网友广泛关注，而钱德拉望远镜的官方网站也因为访问量过大无法访问。

北京时间今晨1:30，NASA在其华盛顿总部电视演播室举行了近40分钟的新闻发布会，就该局“钱德拉”X射线天文台在太空发现的距离地球附近最年轻的黑洞进行了现场解说。

据NASA公布的信息，天文学家发现，这个形成只有30年的黑洞是距离地球约5000万光年的M100星系中的超新星SN 1979C的余烬，可以帮助科学家更好地理解大质量恒星是如何爆炸的、那些恒星爆炸后留下的是黑洞还是中子星、以及我们这个星系和其他星系黑洞的数量。

天文学家介绍称，从美国宇航局的钱德拉望远镜、欧洲航天局的XMM-Newton望远镜和德国ROSAT望远镜获得的数据显示一个明亮的X射线源，这个X射线源在1995年到2007年这段观测期内一直非常稳定。这显示这个天体是一个黑洞，正吞噬这颗超新星或一个双子伴星落下的物质。

美国马萨诸塞州剑桥哈佛-史密森天体物理学中心的丹尼尔-帕特诺德表示：“如果我们的解释没错的话，这是我们观测到最近的一个黑洞诞生的实例。”

超新星SN 1979C发现于1979年。科学家认为，它是一颗质量相当于太阳20倍的恒星坍塌后形成的。以前，科学家通过伽玛射线爆发，探测到遥远宇宙中的许多新黑洞，但SN 1979C不同，因为它距离地球更近，属于一颗不太可能与伽玛射线爆发有联系的超新星。相关的理论预测，宇宙中的黑洞应该是在恒星的星核坍塌后形成的，而且也不会发出伽玛射线。

剑桥哈佛-史密森天体物理学中心的研究人员亚伯拉罕-朗布表示：“这可能是我们首次观测到黑洞不是以我们常见的方式形成，但探测到这种类型的黑洞难度极大，因为需要对X射线进行数十年的观测才行。”

新发现的这一黑洞的观测年龄只有大约30岁，这个观点与最近天文学界提出的理论是一致的。2005年，天文学家提出，这个超新星的明亮的光由一个黑洞的喷射流推动，而这个黑洞无法穿透这颗恒星的“氢外罩”，形成伽玛射线爆发。对SN 1979C的观测结果符合这一理论。

尽管有证据证明SN 1979C中有一个新形成的黑洞，但研究人员也在考虑另一种很吸引人的可能性：这些X射线可能是一颗带有高能粒子的快速旋转的中子星发出的。如果是这样的话，SN 1979C中的这个天体将是迄今为止观测到的最年轻最明亮的“脉冲风星云”，是已知最年轻的中子星。而在此之前已知的明亮的脉冲风星云——蟹状星云约有950岁。

1999年7月23日，钱德拉X射线天文台由哥伦比亚号航天飞机搭载升空。钱德拉X射线天文台是大型轨道天文台计划的第三颗卫星，目的是观测天体的X射线辐射。其特点是兼具极高的空间分辨率和光谱分辨率，被认为是X射线天文学上具有里程碑意义的空间望远镜，标志着X射线天文学从测光时代进入了光谱时代。钱德拉X射线天文台运行在一条椭圆轨道上，近地点为1万公里，远地点为14万公里，轨道周期为64小时。卫星在轨期间由史密松天体物理台负责操控和运作。钱德拉望远镜非常强大，因为它能穿透银河系中心发出的阻碍可见光传播的气体和尘埃物质，观测银河深处。

【093、新粒子？缪子实验或揭示“神秘的力”】

2021-04-19 金融时报

美国费米加速器实验室“缪子g-2”实验的测量结果可能意味着存在一种新的粒子，这将挑战我们对宇宙的认知。

粒子物理学家可能发现了宇宙的一个新秘密，这是个激动人心的消息，不论最终结果是什么，有一点是肯定的，那就是在这个过程中科学工作表现出了最佳的状态。政治理论家可能喜欢主张要证明某个信念是正确的。但是当科学家发现他们的理论行不通时，他们会感到非常喜悦。

伊利诺伊州费米国立加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)的一项实验产生了可能与理论预测不同的结果。正是从这样的差异中，人们发现了科学知识，即使这种差异非常微小——在这件事中，其差异发生在小数点后第九位。这就好像是你在预测圣保罗大教堂(St Paul's Cathedral)与自由女神像(Statue of Liberty)之间的距离时有几毫米的误差。人们认为这种差异是十分重要的，它证明了当前理论的预测准确性，以及科学家们拒绝满足于“接近足够正确”的态度。

最难的部分是解释缪子g-2实验要测量什么，以及这种差异意味着什么。缪子类似于围绕原子旋转的电子，但质量更大：可以说电子是豌豆，而缪子是李子。两者都像是微小的磁铁，实验测量了这种磁性的强度——用一个表示为“g”的数字来加以量化，并通过缪子在磁场中旋转时的摆动程度来进行测量。

用来预测“g”的理论基于所谓的物理学标准模型(Standard Model)，该模型描述了我们宇宙中所有已知的基本力和粒子。如果预测不成立，即使误差很小，也一定是遗漏了什么：可能是另外的一种过去从未发现过的粒子或力。早在20年前就有人提出，“g”的预测值可能与实际值不同。这项新实验表明，这种差异可能是真实存在的。

如果确实如此，那么这将比2012年著名的希格斯粒子(Higgs particle)的发现更引人注目。几乎所有人都确信希格斯粒子肯定存在，因为它是标准模型中最后缺失的部分。然而，我们也知道这个模型不能完整地描述我们的世界。首先，它不能调和物理学最深奥的两个理论：量子力学和广义相对论。它也无法解释暗物质——在解释宇宙为什么是现在这样子时需要用到的一种假设物质——的存在。

长期以来，理论物理学家一直在构建超越标准模型的理论。但是，如果没有关于标准模型在什么地方失效的实验指导，我们就不能测试这些理论是否正确。结果是争论很多，但没有进展。因此，粒子物理学家一直在寻找或许能说明标准模型不完善的实验结果。现在他们可能已经找到了。

如果这个差异是真实存在的，它可能表明某种新的自然力量给了缪子额外的推动力。由于物理学中的每一种力都有一个与之相关联的粒子，那么这就意味着存在一种新的粒子——然后人们可以从其他实验中发现这种粒子。

尽管如此，请记住，一些先前宣称可能超越标准模型的“新物理学”已经消失了。此外，本次实验的理论预测背后的计算非常困难，并且依赖于可能留下回旋余地的近似值。一些物理学家在近期发表的一篇论文中提出，测量的结果实际上可能完全符合标准模型。所以这次可能只是虚晃一枪。

就目前而言，问题仍多于结论。这些发现并不能解释暗物质或证明弦理论，充其量只能对前进的道路提供一个模糊的暗示。尽管如此，从更宽泛的意义上来说，这些发现所透露出来的信息正是当前这个快速变化的困难时期所需要的：获得新知识需要耐心和细心、开放但敏锐的头脑，以及接受不确定性的态度。

【094、在1800光年之外，发现一颗特殊的造父变星，脉动周期达1.49天！】

2021-03-08 参考期刊《arXiv》

造父变星是宇宙的标准烛光，利用欧空局XMM-牛顿卫星，天文学家对一颗名为V473LYR的特殊造父变星进行了X射线观测。研究结果表明，这颗恒星有一个年轻低质量的伴星，这一发现发表在《arxiv》上。一般来说，造父变星是发黄光的恒星，亮度随着时间的推移而变化，这是由于有规律的恒星脉动结果。考虑到它们的变化周期与光度密切相关，天文学家用它们来测量星际和星际距离。

V473LYR最有可能位于1800光年之外，是一种特殊的造父变星，其脉动幅度可变。其主要脉动周期为1.49天，振幅变化周期为1205天（超过3年）。为了解释这种振幅变化，人们进行了几项研究，其中一项研究发现V473LYR在造父变星的位置有一个X射线源。由马萨诸塞州剑桥市史密森天体物理天文台(SAO)南希·埃文斯率领的天文学家团队，决定仔细观察确认的X射线源

希望确定其性质，并验证其是否与V473LYR的振幅变化有关。为此，分析了X射线多镜牛顿(XMM-Newton)望远镜对这颗恒星的新观测结果。天文学家们在论文中写道：我们获得了对这颗恒星的XMM-牛顿卫星观测，以跟进之前的X射线探测。研究表明，V473LYR中的X射线·UX与两个类似造父变星相反，在观测覆盖的三分之一脉动周期内保持不变。

这表明X射线很可能不是由脉动周期周围的变化产生，而是由一个低质量伴星产生。此外，V473LYR的X射线谱很软(0.6keV)，具有X射线性质。这与一个年轻低质量伴星是一致的，数据表明，它很可能是一颗年轻的G或K主序列星，与主序星的距离估计在30-300AU之间。这样的天体很少被发现，除非是在像疏散星团这样的地方。

这项研究还强调了发现造父变星新低质量伴星的难度，并确认了V473LYR是造父变星的地位，尽管它是一个不寻常的造父变星。造父变星的低质量伴星很难辨认，因为光谱能量分布与造父变星相似，而且伴星比造父变星弱得多。X射线活跃伴星是另一个确证，即V473LYR本身是一颗年轻的POPⅠ星，尽管它具有不同寻常的脉动特征。而且V473LYR是一颗经典的造父变星。

其独特之处在于振幅变化很大，周期约为3.3年，被认为与天琴座RR恒星中的Blazhko变化相似。研究人员获得了这颗恒星的{\it XMM-牛顿}观测，以跟进之前的X射线探测。V473LYR的X射线在观测覆盖的三分之一脉动周期内保持不变，而不是像δ仙后座本身所看到的那样，在最大半径附近出现X射线爆发和迅速下降。因此，X射线很可能不是由脉动周期周围的变化产生，与年轻低质量伴星相一致的X射线性质。

在此之前，没有证据表明在径向速度或本身运动中有伴星存在。虽然这排除了距离很近或很远的伴星，但间隔在30AU到300AU之间双星伴星是可能的，这是一个X射线观测的例子，揭示了低质量伴星的证据，这对完成双星造父变星的质量比统计很重要。此外，X射线年轻明亮伴星的探测进一步表明造父变星(初级)是一颗星族I星，尽管它的脉动行为与其他经典造父变星不同。

【095、彗星比我们想象的更危险】

2021年04月16日新浪科技

错过再等6800年！延时拍摄新智彗星越过长城

看，划过天际的新智慧星~它是北半球继1997年的海尔-波普彗星后……

恐龙灭绝的真正原因是它，彗星撞地球不止你想象的那么简单！

哈雷彗星撞击月球，对地球有何影响，人类会灭绝吗？

如果出一部名为《犯罪现场调查：希克苏鲁伯陨石坑》的美剧，你猜剧情会如何发展？没错，调查恐龙灭绝的原因。毫无疑问，这里的“犯罪”现场就是墨西哥的优卡坦半岛，研究人员在那里发现了一个超级大陨石坑。但是，凶器是什么呢——小行星还是彗星？你可能会觉得这其中没有太大区别，就好比洒在路边的士力架巧克力酱和奇巧巧克力条，都是巧克力，仅有细微差别而已。但是，弄清楚到底是什么东西在希克苏鲁伯附近砸出一个大坑，为哺乳动物的繁荣发展扫清障碍，对天文学家评估地球面临的宇宙危险十分重要。

有没有可能，使恐龙灭绝的，不是小行星，而是彗星呢？

如你所知，彗星来自遥远的地方，它们在内太阳系停留的时间也十分短暂。基于数十年的研究，科学家认为，彗星撞地球的可能性很小。然而，一项最新研究却表明，彗星对地球的威胁可能比我们之前认为的大很多。特别是，我们尤其需要留意长周期彗星的威胁，而短周期彗星对地球的威胁确实不大。

人们认为，长周期彗星最不可能会撞击我们的地球，因为它们极少穿过内太阳系（通常只出现一次），而且经过时的速度极快。所以，对长周期彗星而言，地球是一个极小的目标。长周期彗星被认为起源于奥尔特云。奥尔特云位于柯伊伯带外，延伸几光年（最远可达20万天文单位）一直到太阳系的边缘。大多数来自奥尔特云的物体永远不会靠近太阳，但仍有极少数会滑过我们的天空。当它们接近太阳时，它们会被加热进而携带的冰物质开始蒸发，形成明亮的慧发和慧尾。1997年，海尔-波普彗星经过内太阳系时为地球人带来了壮观景象。

1997年复活节期间，一名摄影师拍摄到的位于克罗地亚帕津上空的海尔-波普彗星1997年复活节期间，一名摄影师拍摄到的位于克罗地亚帕津上空的海尔-波普彗星

这些彗星受到太阳引力的影响十分微小。正是银河系的力量，比如分布不均匀的尘埃和气体云的综合引力，将它们推向内太阳系。但是，短周期彗星（或者说木星族彗星），则被认为起源于柯伊伯带，是经过海王星轨道时留下的结冰物质。在朝向内太阳系前进的过程中，海王星的引力会将它们向外“弹射”。等它们再次返回向着内太阳系奔去时，它们最终会朝向天王星运动，然后在土星的协助下，重复“弹射”的过程，把这些物体抛给木星。木星是除太阳之外最大的扰动源，因为木星的质量是其他行星质量总和的两倍。一旦进入木星的影响力范围，彗星留在内太阳系的时间便进入倒计时，当彗星足够接近木星时，便会被弹出太阳系。在此期间，有那么一小段时间，存在彗星撞击地球的可能，但是时间窗口很小很小，撞击率极低。

在这项发表于《科学报告》上的新研究中，哈佛大学的天体物理学家阿米尔·西拉杰和阿维·勒布为彗星的故事带来了新的涟漪。他们通过计算得出，大约有20%的掠过地球轨道的长周期彗星，它们因为太靠近太阳，而有可能被潮汐引力撕裂。这个过程会产生很长的彗星碎片链，大大地增加了彗星碎片撞击地球的几率。

彗星在十分靠近太阳时被潮汐引力撕裂，这样的情况并不罕见。科学家也知道有几组彗星十分有可能是潮汐碎片。例如，克鲁兹族彗星包含上千颗在太阳周围沿着相似轨道运动的彗星，人们认为它们都是某一颗在一千多年前分裂的大彗星的碎片。

根据对希克苏鲁伯陨石坑的研究，科学家可以推测撞击物体的直径大约为12公里。陨石坑下面发现的沉积物中包含的物质，通过与小行星有关。这并不奇怪。从天文学角度来说，大多数撞击地球的物质，来自于小行星带内部附近，小行星最密集的区域。事实上，地球陨石中，大部分的岩石在光谱上与小行星相关。

这些陨石因为太过常见而被称为“普通”球粒状陨石，或石陨石。大多数陨石反射的光，与我们用望远镜观察小行星带内部时看到的光类似。不稳定的轨道共振掠过小行星带，当某个小行星进入这些共振区域时，行星（通常是木星）会强烈地扰动小行星的轨道，逐渐拉伸该小行星的轨道直至其变得越来越椭圆状。这会将小行星从小行星带内部推离，推向行星的领域范围，而小行星带外缘的小行星往往会因为太接近木星，而被彻底弹出太阳系。大部分接近中心的小行星会撞向太阳，只有很少一部分会撞击地球。

2007年的一项研究提出，一颗来自小行星带内部、与巴普提斯蒂娜族（Baptistina family）有关的小行星或许是造成空了灭绝的元凶。根据该研究，1.6亿前，一颗更大的母小行星与其他小行星碰撞后，产生的残骸形成了巴普提斯蒂娜族小行星。接着，巴普提斯蒂娜族小行星中的一员偶然闯入木星导致的不稳定轨道共振区域，于是被弹入内太阳系，最终在6500万年前撞击地球。然而，撞击后留下的沉积物显示，撞击地球的物体与普通的球粒状陨石不太一样，反倒更像碳质球粒状陨石，这便涉及另一种类型的小行星（通常来自外小行星带）。

起先，人们认为，巴普提斯蒂娜族小行星在组成上，与碳质球粒状陨石相似。但后来的研究表明，这些小行星更接近普通球粒状陨石。而且巴普提斯蒂娜形成的时机也往后推迟了很多，大约发生在8000万年前，进而给6500万年前的撞击事件留下的时间机会大幅缩小。所以，巴普提斯蒂娜小行星撞击致使恐龙灭绝的猜想不再盛行。当然，人们并没有完全排除小行星的可能性。或许，另一个碳质小行星撞击了地球，杀死了恐龙，也不是不可能。

最近一项发表在《科学进展》上的研究便探讨了另一颗碳质小行星撞击地球的可能性。论文的共同作者乔安娜·摩根表示，直径约12公里的小行星撞击地球，导致恐龙灭绝，这一点如今“无可争议”。论文的研究人员写道，从撞击坑取回的湖底岩芯之一“完好地保存了希克苏鲁伯撞击事件后在陨石坑内留下的直接后果痕迹，使用不同的地球化学示踪物可以解开这些痕迹的谜团。借助这些示踪物，小行星撞击在最初几个月到新生代数千年内对生物圈和全球环境的影响，以及希克苏鲁伯撞击物体的命运，这些细节可以无比清晰地呈现在我们眼前。”

已有证据表明，能够导致恐龙灭绝的小行星，大约每3.5亿年撞击地球一次。如果不考虑潮汐破坏，长周期彗星撞击地球的概率极低，可能灭绝恐龙级别的彗星撞地球事件仅那么一次而已。但是，在考虑了潮汐破坏之后，西拉杰和勒布发现，这种撞击频率与小行星的撞击频率几乎在一个水平上。但是，相同的潮汐破坏过程不会提高小行星的撞击频率，因为小行星太过密集，不容易受到潮汐破坏。

西拉杰和勒布提出的彗星分解模型前提是，需要一颗直径至少为40公里到60公里的彗星，朝向内太阳系运动。这颗彗星无疑是一个庞然大物，相当于纽约市的大小——从史泰登岛最南端到布鲁克斯最北端（理想情况下，大约一小时的车程）。不过，这么庞大的彗星，我们也不是没见过，海尔-波普彗星就有这么大。但是，这么大的彗星在潮汐撕裂后，产生的碎片大小，很难推测。即便如此，西拉杰和勒布通过计算认为，碎片的直径大约在七公里左右，足够导致恐龙灭绝。

虽然新颖，但这个模型仍存在很大的不确定性。种种迹象表明，内太阳系的多数撞击事件的“肇事者”均是小行星，至少，我们看到的那些撞击坑，大多是小行星造成的。水星、火星还有月球上的陨石坑大小分布与近地小行星的大小分布吻合，说明撞击行星的物体就是这些近地小行星。（地球上也有这些大大小小的陨石坑，不过它们要么被地质活动掩盖，要么被侵蚀覆盖了而已。）

另外，彗星分解模型还要求，每一次大彗星因为过于接近太阳而被撕裂时，须产生大量碎片。模拟发现，撕裂的物体会在潮汐力的作用下，被拉成长条，重新聚集成10到20个物体。1992年，休梅克-利维9号彗星在太靠近木星时，被木星的强大引力扯裂成大约20个碎片。这些模拟过程与休梅克-利维9号彗星的自然现象吻合。值得一提的是，克鲁兹族彗星中的数千颗彗星也被认为，来自一系列的彗星分解事件，而非单个彗星的分解。相反，新模型需要产生数百至上千个碎片，才能将彗星撞击的概率提高到与小行星撞击概率相同的水平。

冰冻碎片链（包含21个碎片，未全部展示）属于休梅克-利维9号彗星，长约710000公里，是地球到月球距离的三倍——接着是铱元素。全世界广泛的地质挖掘表明，撞击之后，会有一层富含铱元素的物质沉积下来。由于铱元素是“非常亲铁的”元素，所以地球上的铱元素几乎都在地核内，而在地球的其他地方，铱元素极其稀有。因此，科学家认为，这些富含铱元素的物质来自太空。灭绝恐龙的凶手必然含有丰富的铱元素，足以在地球上留下一个覆盖全球的富含铱元素的物质层。

那么，彗星的铱元素含量够吗？这取决于彗星的构成。虽然能用来检测的彗星碎片不多，但NASA的星尘号飞船从维尔特二号彗星带回的样本告诉我们，它们与碳质球粒状陨石飞船相似，而已知碳质球粒状陨石含有铱元素（尽管含量比普通球粒状陨石的少）。按道理说，彗星撞击物体的铱元素含量不会比小行星的少很多，但具体情况仍有待进一步研究。

这就使得我们一只脚踏上了无人之地。虽然巴普提斯蒂娜族小行星理论已经成为过去，但碳质小行星的数量足够丰富，仍可以成为可信的小行星撞击物体，并且也能匹配所有数据。但这并不能完全排除西拉杰和勒布提出的彗星撞击物体理论，因为潮汐破坏在（通过产生彗星碎片）提高彗星数量时，也大大增加了彗星碎片撞击行星的几率。至少，在未来计算撞击概率的时候，我们需要考虑彗星碎片的因素。

但显而易见的是，哪怕彗星撞击没有灭绝恐龙，被太阳引力撕扯成碎片的彗星，对地球的威胁，远比我们以前想象的要大。

【096、真的！银河系中心有黑洞】

2019-11-17 现代快报

黑洞是宇宙中最奇妙的天体。

有人说黑洞在宇宙中到处漫游，有时会遇上我们的地球，如果掉进黑洞，穿过虫洞，就开始了星际旅行；有人说，宇宙中有非常大的黑洞，银河系中心就有一个大黑洞，总有一天我们被吞进去……

黑洞那么神奇，到哪里去找它？科学家眼中的黑洞又是什么样？11月15日，2019未来科学大奖高峰论坛在北京举办。在“天体物理：黑洞”分论坛上，上海天文台台长、研究员沈志强透露，银河系中心真的有一个黑洞，预计明年可以公布。

“甜甜圈”是个自转体，南北不对称

今年4月10日，“事件视界望远镜”（EHT）重大成果发布会在上海天文台与世界其它地方举行。发布的距离地球5500万光年、质量约为太阳的65亿倍的室女座中心的黑洞（M87*）的照片长得像个“甜甜圈”。

这也是人类首次看见的黑洞。据统计全球已有近45亿人看到了这张照片。

假设可以星际旅行，那我们看到的黑洞M87长什么样？论坛上，沈志强播放了一段小视频。随着距离的变化，一颗颗星星从眼前掠过，而后是红色的抛射物，渐渐靠近室女座中心，看见一个类似甜甜圈一样的天体。

为什么看起来像甜甜圈？这是因为，M87超大质量黑洞的阴影是一个中心暗，边缘明亮的环状结构，它是一个有自转的黑洞，背对地球自旋，南北不对称。M87周边环境如何，它究竟长什么样，有没有更细节的内容？沈志强说，EHT对黑洞M87的研究并没有停止，还在深入研究，这些问题也都是他们继续研究的方向。

银河系中心有黑洞，距离地球2.6万光年

第一张黑洞照片出现了，那么第二张、第三张……它们会继续和观众见面吗？沈志强说，都会有的。

“从广义上来说，每个星系可能都有黑洞。”沈志强告诉现代快报记者，宇宙中藏着许多黑洞，只是观测条件有限，我们尚未能揭开它们的“庐山真面目”。

沈志强透露，实际上，除了室女座星系M87黑洞之外，他们还观测到一个银河系中心的黑洞。“这个黑洞离地球更近，有2.6万光年的距离。而M87黑洞比这个银河系中心黑洞远两千倍。”

银河系中心的黑洞长什么样，是甜甜圈，还是眼睛，或者是旋涡形的？沈志强笑笑，这些都等正式公布的时候，会揭开谜底。

沈志强透露，银河系中心的黑洞是个“小不点”。“它的直径远没有地球到太阳的距离长，却可能影响到整个银河系的演化。”小小的“体型”，却能搅动整个银河系，为什么它有如此大的威力？沈志强表示，这还是个待解之谜。“这个黑洞与银河系一定有某种关系，具体是什么关系还是个待研究的问题。但可以说，黑洞和所在星系是共同演化的。

寻找不易，想把“天眼”直接发射到太空　

黑洞是一种被极度压缩的宇宙天体，在宇宙中是超级神秘的存在。

不过，黑洞也并不是漆黑一片，本身有一点光，有阴影。黑洞质量越大，阴影越大。

想要给黑洞拍照，一个字：难！有人打比方说，给黑洞拍照，就像我们站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子。

为了给黑洞拍照，全球大联动。沈志强告诉现代快报记者，全球六地的8个地面射电望远镜共同形成了一张观测网，构建起一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜，向被选中的黑洞撒出一张网，然后，捞回海量数据，为我们勾勒出黑洞的模样。这8架射电天文望远镜分布在美国夏威夷和亚利桑那、墨西哥、智利、西班牙和南极，海拔位置都很高，如：位于夏威夷的射电望远镜海拔4000多米，云都在下面。

尽管全球有“8只眼睛”一起工作，但还是困难重重。“黑洞成像，必须在合适的观测波段——亚毫米波进行，对设备的精确度和灵敏度要求极高，同时，要天时地利配合。每年，只有4月是最佳观测时机。如果天气不好，也观测不了。”沈志强透露，为了更好地进一步探索黑洞奥秘，科学家们已开始讨论把事件视界望远镜发射到太空，这样就能摆脱大气的影响。

掉进黑洞，真的能星际旅行吗？

有人说，掉进黑洞，穿过虫洞，就开始了星际旅行。

科幻大片《星际穿越》中就有这样“脑洞大开”的情节：男主角进入黑洞后，不仅在星际旅行了一番，还活着全身而退。如果有人真的掉进了黑洞，过程和看到的景象是《星际穿越》中所演的这样吗？沈志强告诉现代快报记者，如果掉进黑洞，结局是个什么样子，无法预估。

他说，进入黑洞之后会发生什么还没法知道。在黑洞的最中心，也许是平行宇宙的另外一个入口。但这目前还没有定论，也并不意味着没有科学依据。“不过，现在还在地球上，还是活在当下。”沈志强说。

【097、中子星】

中子星（neutron star）是除黑洞外密度最大的星体，恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一，质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于白矮星和黑洞之间的星体，其密度比地球上任何物质密度大相当多倍。绝大多数的脉冲星都是中子星，但中子星不一定是脉冲星，有脉冲才算是脉冲星。

起源

中子星是除黑洞外密度最大的星体（根据最新的假说，在中子星和黑洞之间加入一种理论上的星体：夸克星），同黑洞一样是20世纪激动人心的重大发现，为人类探索自然开辟了新的领域，而且对现代物理学的发展产生了深远影响，成为上世纪60年代天文学的四大发现之一。

中子星的密度为每立方厘米8^14~10^15克，相当于每立方厘米重1亿吨以上。此密度也就是原子核的密度，是水的密度的一百万亿倍。对比起白矮星的几十吨/立方厘米，后者似乎又不值一提了。如果把地球压缩成这样，地球的直径将只有22米！事实上，中子星的密度是如此之大，半径十公里的中子星的质量就与太阳的质量相当了。

同白矮星一样，中子星是处于演化后期的恒星，它也是在老年恒星的中心形成的。只不过能够形成中子星的恒星，其质量更大罢了。根据科学家的计算，当老年恒星的质量为太阳质量的约8~2、30倍时，它就有可能最后变为一颗中子星，而质量小于8个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。但是，中子星与白矮星的区别，不只是生成它们的恒星质量不同。它们的物质存在状态是完全不同的。

简单地说，白矮星的密度虽然大，但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内：电子还是电子，原子核还是原子核，原子结构完整。而在中子星里，压力是如此之大，白矮星中的电子简并压再也承受不起了：电子被压缩到原子核中，同质子中和为中子，使原子变得仅由中子组成，中子简并压支撑住了中子星，阻止它进一步压缩。而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的。可以这样说，中子星就是一个巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。中子星的质量非常大以至于巨大的引力让光线都是呈抛物线挣脱。

在形成的过程方面，中子星同白矮星是非常类似的。当恒星外壳向外膨胀时，它的核受反作用力而收缩。核在巨大的压力和由此产生的高温下发生一系列复杂的物理变化，最后形成一颗中子星内核。而整个恒星将以一次极为壮观的爆炸来了结自己的生命。这就是天文学中著名的“超新星爆发”。

中子星，是恒星演化到末期，经由引力坍缩发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。恒星在核心的氢、氦、碳等元素于核聚变反应中耗尽，当它们最终转变成铁元素时便无法从核聚变中获得能量。失去热辐射压力支撑的外围物质受重力牵引会急速向核心坠落，有可能导致外壳的动能转化为热能向外爆发产生超新星爆炸，或者根据恒星质量的不同，恒星的内部区域被压缩成白矮星、中子星以至黑洞。

白矮星被压缩成中子星的过程中恒星遭受剧烈的压缩使其组成物质中的电子并入质子转化成中子，直径大约只有十余公里，但上头一立方厘米的物质便可重达十亿吨，且旋转速度极快，而由于其磁轴和自转轴并不重合，磁场旋转时所产生的无线电波等各种辐射可能会以一明一灭的方式传到地球，有如人眨眼，故又称作脉冲星。

一颗典型的中子星质量介于太阳质量的1.35到2.1倍，半径则在10至20公里之间（质量越大半径收缩得越大），也就是太阳半径的30,000至70,000分之一。因此，中子星的密度在每立方厘米克至克间，此密度大约是原子核的密度。致密恒星的质量低于1.44倍太阳质量，则可能是白矮星，但质量大于钱德拉塞卡极限（1.5-3.0倍太阳质量）的中子星会继续发生引力坍缩，则无可避免的将产生黑洞。

由于中子星保留了母恒星大部分的角动量，但半径只是母恒星极微小的量，转动惯量的减少导致了转速迅速的增加，产生非常高的自转速率，周期从毫秒脉冲星的700分之一秒到30秒都有。中子星的高密度也使它有强大的表面重力，强度是地球的到倍。逃逸速度是将物体由重力场移动至无穷远的距离所需要的速度，是测量重力的一项指标。

一颗中子星的逃逸速度大约在10,000至150,000公里/秒之间，也就是可以达到光速的一半。换言之，物体落至中子星表面的最大速度将达到150,000公里/秒。更具体的说明，如果一个普通体重（70公斤）的人遇到了中子星，他撞击到中子星表面的能量将相当于二亿吨核爆的威力（四倍于全球最巨大的核弹大沙皇的威力），当然这仅仅是假设，真要是这样的话，这个人在越来越接近中子星的时候，会被强大的潮汐力扯碎。

发现

1932年，中子被查德威克发现之后不久，苏联物理学家朗道就提出有一类星体可以全部由中子构成，朗道因此成为首次提出中子星概念的学者。

1934年，巴德和兹威基在《物理评论》上发表文章，认为超新星爆发可以将一个普通的恒星转变为中子星﹐而且指出这个过程可以加速粒子，产生宇宙线。

1939年奥本海默和沃尔科夫通过计算建立了第一个定量的中子星模型，但他们采用的物态方程是理想的简并中子气模型。中子星是处于演化后期的恒星，它也是在老年恒星的中心形成的。只不过能够形成中子星的恒星，其质量更大罢了。根据科学家的计算，当老年恒星的质量大于十个太阳的质量时，它就有可能最后变为一颗中子星，而质量小于8个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。

虽然早在30年代，中子星就作为假说而被提了出来，但是一直没有得到证实，人们也不曾观测到中子星的存在。而且因为理论预言的中子星密度大得超出了人们的想象，在当时，人们还普遍对这个假说抱怀疑的态度。直到1967年，由英国科学家休伊什的学生乔丝琳·贝尔首先发现了脉冲星。经过计算，它的脉冲强度和频率只有像中子星那样体积小、密度大、质量大的星体才能达到。这样，中子星才真正由假说成为事实。这真是本世纪天文学上的一件大事。因此，脉冲星的发现，被称为二十世纪六十年代的四大天文学重要发现之一。

1967年，天文学家偶然接收到一种奇怪的电波。这种电波每隔1—2秒发射一次，就像人的脉搏跳动一样。人们曾一度把它当成是宇宙人的呼叫，轰动一时。后来，英国科学家休伊什终于弄清了这种奇怪的电波，原来来自一种前所未知的特殊恒星，即脉冲星。这一新发现使休伊什获得了1974年的诺贝尔奖。已发现的脉冲星已超过300个，它们都在银河系内。蟹状星云的中心就有一颗脉冲星。

2007年天文学家借助欧洲航空局(ESA)的珈马射线天文望远镜(Integral)，发现了迄今旋转速度最快的中子星。这颗中子星编号为XTE J1739-285，每秒钟可沿自己的轴线旋转1122圈。按照地球的概念转一圈一天的话，在这个中子星上一秒钟可以经过3年多。这个发现推翻了原来认为的每秒700圈的星体转速极限。

这颗中子星的直径约10公里，但质量却与太阳相近,其密度惊人，高达每立方厘米1亿吨。其巨大引力从临近恒星不断夺取大量炙热气体，并不断诱发热核爆炸。

2010年10月27日英国《每日电讯报》报道，天文学家发现了宇宙中迄今为止最大的中子星，其质量几乎是太阳的两倍。

这颗名为PSR J1614-223的中子星的大小与一个小城市差不多，相对而言并不算是一个大的星球，但其密度却是惊人的高，它上面很少量一点物质的质量就高达5亿吨！

前身

中子星的前身一般是一颗质量为10-29倍太阳质量的恒星。它在爆发坍缩过程中产生的巨大压力，使它的物质结构发生巨大的变化。在这种情况下，不仅原子的外壳被压破了，而且连原子核也被压破了。原子核中的质子和中子便被挤出来，质子和电子挤到一起又结合成中子。最后，所有的中子挤在一起，形成了中子星。显然，中子星的密度，即使是由原子核所组成的白矮星也无法和它相比。在中子星上，每立方厘米物质足足有一亿吨重甚至达到十亿吨。

中子星磁矿星

当恒星收缩为中子星后，自转就会加快，能达到每秒几圈到几十圈。同时，收缩使中子星成为一块极强的“磁铁”，这块“磁铁”在它的某一部分向外发射出电波。当它快速自转时，就像灯塔上的探照灯那样，有规律地不断向地球扫射电波。

当发射电波的那部分对着地球时，我们就收到电波；当这部分随着星体的转动而偏转时，我们就收不到电波。所以，我们收到的电波是间歇的。这种现象又称为“灯塔效应”。

演化状态

中子星并不是恒星的最终状态，它还要进一步演化。由于它温度很高，能量消耗也很快，因此，它通过减慢自转以消耗角动量维持光度。当它的角动量消耗完以后，中子星将变成不发光的黑矮星。

性质

作为一颗中子星，中子星具有许多非常独特的性质，这些性质使我们大开眼界。因为，它们都是在地球实验室中永远也无法达到的，从而使我们更加深入地认识到恒星的一些本质。概括起来说，这些性质是：

大小

一个典型中子星的半径只有10千米左右。中子星外部是一个固态的铁的外壳，大约厚1千米，密度在10^11~10^14克/立方厘米之间；内部几乎完全是中子组成的流体，密度为10^14~10^15克/立方厘米。

密度

密度很大。密度一般用1立方厘米有多少克来表示，水的密度是每立方厘米重1克，铁是7.9克，汞是13.6克。如果我们从脉冲星上面取下1立方厘米物质，称一下，它可重1亿吨以上、甚至达到10亿吨。假定我们地球的密度也达到这种闻所未闻的惊人程度的话，那它的平均半径就不是6371公里，而只有22米！

温度

温度极高。据估计，新生的中子星中心温度约为到开尔文。我们以太阳来作比较，就可以有个稍具体的概念：太阳表面温度6000℃不到，越往里温度越高，中心温度约1500万度。

中子星形成的初期，它的冷却是经过所谓的乌卡（URCA)过程，内部的温度降到1亿K时，乌卡过程就停止了，其它的中微子过程继续主导冷却。1000年后冷却由光辐射主导。此后大约1万年的时间里，表面温度一直维持在 K左右。

压强

压强大得惊人。我们地球中心的压强大约是300多万个大气压，即我们平常所说的1标准大气压的300多万倍。脉冲星的中心压强据认为可以达到个大气压，比地心压强强倍，比太阳中心强倍。

磁场

特别强的磁场。在地球上，地球磁极的磁场强度最大，但也只有0.7Gs（高斯是磁场强度的单位，1Gs=T）。太阳黑子的磁场更是强得不得了，约1000～4000Gs。而大多数脉冲星表面极区的磁场强度就高达10000亿Gs，甚至20万亿Gs。

脉冲星都是我们银河系内的天体，距离一般都是几千光年，最远的达55000光年左右。根据一些学者的估计，银河系内中子星的总数至少应该在20万颗以上，到80年代末，已经发现了的还不到估计数的千分之五。今后的观测、研究任务还很艰巨。

中子星从发现至今，只有短短二三十年的时间，尽管如此，不论在推动天体演化的研究方面，在促进物质在极端条件下的物理过程和变化规律的研究方面，它已经为科学家们提供了非常丰富而不可多得的观测资料，作出了贡献。同时，它也在这个新开拓的领域内，向人们提出了一连串的问题和难解的谜。

能量辐射

中子星的能量辐射是太阳的100万倍，约为瓦特。按照世界上的用电情况.它在一秒钟内辐射的总能量若全部转化为电能，就够我们地球用上几十亿年。

结构

从中子星表面到中心，密度从通常的铁晶体密度很快增加到 g/ 。中子星外部有一层等离子体，表面以内是固体外壳，主要由Fe原子核的晶格点阵和简并自由电子气构成，密度为。从外向内密度逐渐增加，高到迫使电子同核内质子结合成一系列富含中子的核，例如Ni，Ge，Zn，Mo，Kr，接着过渡到内核，开始有自由中子出现，这个过程称为中子漏（neutron drip)。外壳和内壳都是固态的，总厚度大约为1km。内壳以内是核区，当密度增加到时，原子核就完全离解消失，中子星物质变成杂有少量电子，质子的连续中子流体。

面积

中子星的面积为约30——300平方千米，地球5.1亿平方千米，地球面积是中子星的约170-1700万倍。

特征

中子星的表面温度约为一百一十万度，辐射χ射线、γ射线和可见光。中子星有极强的磁场，它使中子星沿着磁极方向发射束状无线电波（射电波）。中子星自转非常快，能达到每秒几百转。中子星的磁极与两极通常不吻合，所以如果中子星的磁极恰好朝向地球，那么随着自转，中子星发出的射电波束就会像一座旋转的灯塔那样一次次扫过地球，形成射电脉冲。人们又称这样的天体为“脉冲星”。

史瓦西半径

超新星爆发后，如果星核的质量超过了太阳质量的两至三倍，那它将继续坍缩，最后成为一个体积无限小而密度无穷大的奇点，从人们的视线中消失。围绕着这个奇点的是一个“无法返回”的区域，这个区域的边界称为“视野”或“事件地平”，区域的半径叫做“史瓦西半径”。任何进入这个区域的物质，包括光线，都无法摆脱这个奇点的巨大引力而逃逸，它们就像掉进了一个无底深渊，永远不可能返回。

磁星

“磁星”（Magnetar）是中子星的一种，它们均拥有极强的磁场，透过其产生的衰变，使之能源源不绝地释出高能量电磁辐射，以X射线及γ射线为主。磁星的理论于1992年由科学家罗伯特·邓肯（Robert Duncan）及克里斯托佛·汤普森（Christopher Thompson）首先提出，在其后几年间，这个假设得到广泛接纳，去解释软γ射线复发源（soft gamma repeater）及不规则X射线脉冲星（anomalous X-ray pulsar）等可观测天体。

当黑洞与中子星相遇

在两者相距200~300亿公里时，中子星表层物质发生不稳定，磁场有明显的异常波动。当两者相距达到100亿公里时，中子星的外物质便会飞逸而出，并在黑洞周边高速环绕，之后中子星便向黑洞“奇点”做螺旋形下坠运动。当到50亿公里时，黑洞和中子星的磁场剧烈碰撞，并放出大量电子和光，之后中子星的能量便会慢慢消耗，而后被黑洞吞没，其时间依据中子星的体积而论，但一般不会超过6个小时。

天文信息

天文望远镜发现了迄今转速最快的中子星，每秒旋转1122圈，比地球自转快1亿倍。最先观测到这颗星的西班牙天文学家库克勒说，早在1999年便已发现了这颗代号为J1739-285的中子星，但不久前才通过望远镜算出它的转速。这颗中子星的直径约10千米，但质量却与太阳相近，其密度惊人，高达每立方厘米1亿吨。其巨大引力从临近恒星不断夺取大量炙热气体，并不断诱发热核爆炸。

天文学家正是通过这种现象发现了它。此前的中子星自转纪录是每秒716圈，恒星转速一般在每秒270-715 圈。700圈曾被认为是天体旋转极限，按当今的物理学理论，转速超过此极限，恒星将被强大向心力摧毁或化为黑洞。但最新发现否定了这一看法。理论上，每秒1122转并不是旋转极限，大型中子星转速有可能高达3000转。令天文学家困惑的是，为什么天体在高速旋转的强大离心力下，却依旧会不断收缩，而且不损失自身物质。

发现脉冲星

关于脉冲星真正发现者的争论和对诺贝尔奖委员会的质疑，已经历了40年。40年后的今天，它再次成为关注话题。回首往事，作为导师的休伊什获得了诺贝尔奖，“无可厚非”，但贝尔“失去殊荣”，却令人感到惋惜。如果没有贝尔对“干扰”信号一丝不苟的追究，他们可能错过脉冲星的发现。

中子星与脉冲星的区别

所有的脉冲星都是高速自转的中子星，也就是说脉冲星是中子星的一种，但中子星不全是脉冲星，我们要收到脉冲信号才算。中子星具有强磁场，运动的带电粒子发出同步辐射，形成与中子星一起转动的射电波束。由于中子星的自转轴和磁轴一般并不重合，每当射电波束扫过地球时，就接收到一个脉冲。这时这颗中子星也叫脉冲星。脉冲星是本世纪60年代四大天文发现之一 (其他三个是：类星体、星际有机分子、宇宙3K微波辐射)。因为它不停地发出无线电脉冲，而且两个脉冲之间的间隔(脉冲周期)十分稳定，准确度可以与原子钟媲美。各种脉冲星的周期不同，长的可达4.3秒，短的只有0.3秒，甚至毫秒级。

中子星一边自转一边发射像电子束一样的电脉冲。该电脉冲像灯塔发出的光一样，以一定的时间隔掠过地球。当它正好掠过地球时，我们就可以测定它的有关数值。

中子星和黑洞

中子星和黑洞是宇宙中密度和引力最强大的两类颇具神秘感的天体。光是中子星就已经够不可思议了，偏偏还要添上黑洞。它是宇宙中的死亡陷阱和无底深渊，没有物质能摆脱它的强大引力，包括光线。在它附近，今天的所有物理定律都显得不适用了。

恒星末期

我们知道，当恒星走完其漫长的一生后，小质量和中等质量的恒星将成为一颗白矮星，大质量和超大质量的恒星则会导致一次超新星爆发。超新星爆发后恒星如何演变将取决于剩下星核的质量。印度天体物理学家昌德拉塞卡于上世纪三十年代末发现，当留下的星核质量达到太阳的一点四倍时，其引力将大到足以把星核内的原子压缩到使电子和质子结合成中子的程度。此时这颗星核就成了一颗中子星，其密度相当于把一个半太阳的质量塞进直径约二十四公里的一个核内。

这是一个单个的中子星，其表面温度高达一百二十多万度，直径只有二十八公里。(HST)

以两百倍音速高速运动着的中子星，距地球约两百光年。三十万年后将对地球产生轻微影响。(HST)

在星系中漂浮的单个恒星级黑洞，它引起的引力透镜现象使位于其后方的恒星产生了两个像。(HST)

位于NGC6251中心发出强烈紫外线辐射的尘埃盘，其内部可能存在一个巨型黑洞。(HST)

椭圆星系NGC7052中心的尘埃盘，其中央可能有一个质量为太阳三亿倍的超级黑洞。(HST)

人马座A(NGC5128)星系中心的尘埃盘，其中有一个巨大的超级黑洞。(HST)

银河系的中心人马座A*据说也是一个黑洞。

研究价值

引力波研究

北京时间2017年10月16日22点，美国国家科学基金会召开新闻发布会，宣布激光干涉引力波天文台（LIGO）和室女座引力波天文台（Virgo）于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件，国际引力波电磁对应体观测联盟发现了该引力波事件的电磁对应体。

重金属元素的来源

科学家们认为地球上的黄金、铂金和其他重金属元素可能来自于太阳系诞生前几亿年中子星碰撞的大爆炸。

长期以来普遍认为普通的元素如氧和碳，是在将近死亡的恒星爆炸变成新星时生成的，但是研究学者们感到困惑的是，数据显示这些恒星爆炸不能产生像在地球上这样大量存在的重金属元素。来自英国莱瑟斯特大学和瑞士巴塞尔大学的这些科学家们相信，答案存在于稀有的中子星对上。

中子星是生成新型的大恒星的超高密度的内核，它们所包含的物质有我们的太阳那么多，但只有大约一座城市那么大。有时会发现两颗中子星互相绕对方沿轨道旋转，这是双星系的遗留物，在我们的银河系中已知有4对。科学家们使用了在英国伦敦以北100英里的莱瑟斯特天体物理流体设备的超级计算机做模拟，如果使它们慢慢旋转着靠近发生爆炸，这样巨大的引力会造成什么结果。

进行一次这样的计算要耗费超级计算机几个星期的时间，而这只是在两个星球的一生中最后几个毫秒中发生的事情。结果显示，当中子星靠近时，巨大的力量将它们劈开，释放出足够的能量，可以将整个宇宙照亮几个毫秒。这个碰撞更可能是产生一个黑洞——空间中吞没光的裂口——并在发生核反应时喷射出灰，把质子射入轻元素的原子核而生成重元素。喷发出的物质和恒星间的气体和灰尘相混合、碰撞，构成了新的一代星体，慢慢使重金属散布在银河系中。

在宇宙中出现这种罕见的现象的几率大约是一百亿年以上，这和我们在已有五十亿年寿命的太阳系中对元素光谱所做的分析结果相符，为这种理论提供了有力的证据。令人惊奇的是所做的模型产生出的元素的数量和宇宙非常非常接近，它部分回答了我们的世界从何而来这个问题。

【098、中子星密度极大，一立方厘米上亿吨，这是什么概念？】

2020-12-09 科学探索

在一些极端条件下，物质的性质会发生翻天覆地的变化，比如密度。

一大坨棉花经过挤压，能够装在一个很小的盒子中；空气经过压缩后，体积也会变得很小。当压力足够大，物质被挤压的非常厉害，密度也会变得超级的高，远超你的想象。

在宇宙中有一类密度极大的星体——中子星，它是恒星死亡后的残骸。而高速旋转的中子星又被称作脉冲星。中子星的质量一般介于1.5～3倍太阳质量之间，半径则在10～20千米之间，表面温度大约为1000万℃。

中子星上一立方厘米的物质，质量高达1亿吨以上，甚至10亿吨。中子星是目前已知密度仅次于黑洞的天体。在宇宙中，密度比中子星更次一点的天体叫做白矮星。在常温常压下，水的密度为1克每立方厘米，而中子星的密度是水的密度的100万亿倍。

地球的平均半径为6371公里，如果将地球压成中子星，那么地球的半径将变为22米。像太阳这么大的天体，压缩到这种密度，半径也只有10公里左右。

一立方厘米有多大？就是长宽高各一厘米的方块糖般大小。1亿吨，很多人对这个大小没什么概念。以世界上现役最大的航空母舰——美国尼米兹号航空母舰，它的满载重量是10万吨，1亿吨大约相当于1000艘尼米兹号航母的满载重量。

由于密度极大，大量的质量聚集在非常有限的空间内，中子星表面的引力场极其强大。表面的逃逸速度高达10万～15万千米每秒，如果从中子星表面发射火箭，速度必须要大于光速的1/3～1/2。然而，任何物体掉到中子星表面都会被撕碎。如此强大的引力，使得从中子星附近经过的光都要沿抛物线轨迹运动。

要形成如此强大的密度，必须要有非常强大的压力。中子星是恒星死亡后的产物，恒星在死亡时会发生极其猛烈的大爆炸，余下物质的质量大于1.5倍太阳质量（这个临界质量被称作钱德拉塞卡极限）、小于3倍太阳质量（奥本海默极限）时，会坍缩成中子星。一般质量在太阳质量8~20倍的恒星，最终都会演变成中子星。

中子星的密度实际上就是原子核的密度，你甚至可以把中子星看成一个巨大的原子核。

一般而言，原子就是物质的基本组成单元，地球上的万物就是由不同种类的原子（或者说元素）构成的。原子又由原子核和核外电子构成，原子核则由质子和中子构成。中子和质子都是由夸克构成的，它们可以互相转化。

原子核带正电，电子带负电，电子之所以没有掉进原子核，就是由于存在电子简并压，这是由泡利不相容原理产生的。

只要压力够，任何物质都可以被压缩。当压力足够大，超过电子简并压时，核外电子就会被挤进原子核内，与核内的质子结合形成中子，从而形成一种全新的物态——中子态。如果继续施压，中子简并压也抵抗不了，就会形成黑洞。

【099、中子星内部是什么？】

2021-01-19 天文在线

简介：中子星是恒星演化到末期，经重力崩溃后形成的除黑洞以外密度最大的物体。可以通过在太空中观测中子星，观察X射线的发射来推断其半径，从而推断出其内部物质。

一颗恒星在超新星内部死亡，完全就是一次灾难性的事件。它留下一个密度大得难以想象的物体，叫做中子星。但是中子星里面到底是什么样的呢？

我们能接触到的一切都是由原子构成的。被称为质子和中子的亚原子粒子构成了原子核，电子围绕着它们运行。但在这个原子能级上，即使是我们世界上密度最大的物质，比如黄金、铅和铀，其结构中也主要是由空旷的空间所占据。

与整个原子的大小相比，它们的原子核非常非常小，测量到电子的轨道。

现在想象一下，使劲儿挤压一块黄金、铀或铅，以至于原子核全都靠近接触到一起了，然后你再来估算剩余的空间。你得到的东西密度惊人，类似于一个巨大的原子核。中子星就是这样的。能够做到这种挤压程度的唯一力量只有重力。

中子星形成于恒星生命末期，此时的恒星不再有足够的燃料来防止自己崩塌。一般来说，核心持续收缩，直到原子核剧烈地融合并相互接触。这时，产生一个反弹，整个核心反冲，并推开外层，这样就产生了一个辉煌耀眼的超新星。剩下的，只有一个快速旋转的煤渣核心—这是除黑洞以外，你能得到的密度最大的东西。它的密度如此之高，一茶匙这种物质，在地球上的重量就会有约10亿吨。

物质在如此高的密度下是如何表现的呢？每个原子的原子核是分开的吗？原子会变成一个质子、中子和电子的混合物，相互纠缠、无法区分吗？会更进一步吗？质子和电子会合并在一起，我们最终得到一锅中子吗？它们会变成一大份夸克和胶子组成的汤吗？或者还有别的什么？

基本上，核物理界并不知道在这种密度下会发生什么事。这个问题可以归结为一个叫做“f”态的方程，这是一个描述物质在一个基本层面上的性质的术语，它与密度和压力有关。

如果恒星有一个硬核——一个固定的状态方程式——你就会有一个更大的恒星，半径更大。如果你有一个非固定的状态方程式，中子放弃它们的应有状态，形成一份夸克汤，你就会有一个柔软的、粘糊糊的核心和更小的半径。所以，如果我们能测量出恒星的半径，我们就会知道它的内部构成是怎样的。但我们不能直接测量。人们认为这些恒星的半径只在10-15公里之间--相当于一座城市的大小--远远小于哈勃望远镜能够观测并成像的范围。所以测量必须以间接的方式进行。

我们认为，最好的方法是通过观察X射线的辐射来推断半径；要做到这一点，我们必须从太空观察中子星。当中子星像宇宙灯塔一样，把发光的磁极转向我们时，它们会迅速闪光，这就是脉冲星

通过精确的测量，我们将能够了解，中子星是如何通过这些脉冲的形状来扭曲时空的。那么涨跌的幅度有多大？有残留的光芒吗？这些特征携带了关于恒星的更多信息，并使我们能够确定几颗中子星的质量和半径，从而推断出其内部的情况。（作者: Tim Trott）

《探秘直径10公里中子星最高山峰不足一毫米》（2021-07-27 大纪）报道：

7月19日在2021年英国国家天文学会议（National Astronomy Meeting 2021）上展示的一份研究，探讨了高密度天体——中子星上最高的山峰会有多高的问题。

中子星是恒星死亡后的残骸，是宇宙中已知的密度最高的天体之一。它们的质量可以达到太阳那么大，可是直径只有10公里左右。由于极高的密度，导致中子星的引力达到地球的几十亿倍。

科学家构建的模型显示，这样大的引力把一切物质紧密地压缩在一起，形成的球体将是一个近乎完美的球形。然而，科学家认为中子星的表面仍然会存在一些细微的凸出物，就像地球表面会有凸出的山峰一样，估计它们的高度只有地球上山峰高度的几十亿分之一。

这份研究的主要作者之一英国南安普敦大学（University of Southampton）的博士生吉廷斯（Fabian Gittins）用电脑建造了一个中子星的模型，研究上面山峰最高可能达到的高度。

他们的研究显示，中子星上最高的凸起不会超过几分之一毫米——只有以前研究得到的估计值的百分之一。

吉廷斯说：“在过去二十年来，同行对中子星上山峰的高度极限很有兴趣，超过一定的高度，中子星的地壳将支持不住山峰而破裂。”

以前的研究认为，中子星是个近乎完美的球形，上面的凸起不会超过几釐米的高度。

吉廷斯还提到：“这份研究的结果表明，中子星接近完美球形的程度简直到了难以置信的地步。同时也意味着，要观测来自由中子星自转所产生的引力波也比以前认为的更加困难。”

科学家认为，由于中子星的引力很大，即使上面的凸出物非常细微，其自转的过程中都会在时空中产生引力波的涟漪。

目前为止，科学家还未接收到任何由中子星自转产生的引力波。研究人员估计，随着现有引力波探测器不断提升其敏感度，比如美国激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和意大利的室女座干涉仪（Virgo interferometer），将来它们就会获得探秘这类中子星的重要线索。

【100、最遥远的类星体，130亿年前的光，给现在的我们带来什么？】

2021-05-16 天文在线

迄今为止发现的最遥远的类星体为研究宇宙诞生带来新曙光

它的光线花了130亿年才到达地球。

天文学家已经发现并详细研究了迄今为止发现的最遥远的射电辐射源。根据最近发表在《天文物理学报》上的一项研究，该类星体被称为“强射电类星体”，它是一个明亮得令人眼花缭乱的物体，在射电波长处有巨大的喷射流。并且它距离我们是如此的遥远以至于它发出的光线直到130亿年后才到达地球。而130亿年前，大爆炸才刚刚发生——这意味着研究这个类星体将有助于我们理解宇宙的诞生。

迄今为止发现的最遥远的类星体为研究宇宙的诞生带来新曙光

类星体是存在于某些星系中心的，非常明亮的天体物理学物体，它们的巨大能量来自其中心的特大质量黑洞。当周围大量气体被黑洞吞噬后，它释放的能量就达到了天文学家可以从遥远的地方观测到的水平。

最近发现的类星体 P172 + 18距离我们非常遥远，它的光穿过星系际空间的深处达130亿年之久才到达地球。换句话说，我们现在看到的来自该类星体的光线是它在宇宙只有7.8亿岁，即还不到现在地球年龄的五分之一的时候发出的。过去曾发现过距离更遥远的类星体，但这是第一个足够“响亮”的类星体，因为天文学家可以通过其发出的射电喷流识别出该喷流属于宇宙早期的类星体。

这是一个意义重大并且十分罕见的发现，因为只有大约10% 的类星体(天文学家将其归类为“射电强”类星体)具有能够发射出极其明亮的射电频率的射流。

由特大质量黑洞驱动的 P172 + 18的质量大约是太阳质量的3亿倍——并且它正以令人担忧的速度吞噬着周围的气体。智利 ESO（欧洲南方天文台）的天文学家和研究员基娅拉·马祖切利说：“黑洞正在非常迅速地吞噬物质，并且以有史以来观测到的最高速度不断变大。”据悉，她与德国马克斯·普朗克天文研究所的爱德华多· 巴尼阿多斯一起领导了这次发现。

图解：9月26日NASA发布了一张由计算机模拟的高分辨率新黑洞可视化图片。它清晰的描述了环绕黑洞的物质所发出的光会被黑洞自身质量产生的重力弯曲，于黑洞周围形成光环。

新的类星体可能揭示为什么黑洞能够如此迅速地增长到超大尺寸

天文学家怀疑，在诸如 P172 + 18之类的类星体中观测到的特大质量黑洞的快速增长和强大的射电喷流之间存在某种联系。这些喷流可能会扰乱黑洞周围的气体，导致气体以极快的速度落入黑洞中。

这意味着研究射电类星体有助于了解宇宙大爆炸之后黑洞是如何迅速增长到超大尺寸的。马祖切利在 ESO（欧洲南方天文台）的博客文章中说：“我发现这些都让我感到非常兴奋：不论是首次发现“新的”黑洞，亦或是为理解原始宇宙、我们从哪里来、以及最终理解我们自己提供更多的构建基石。”

最初，类星体 P172 + 18被认为是一个非常遥远的星体，因为位于智利拉斯坎帕纳斯天文台的麦哲伦望远镜最初认为它是一个射电源。“当我们得到数据后，通过及时的肉眼观察，我们立即知道我们发现了迄今为止已知的最遥远的强射电类星体,”巴尼阿多斯说。

下次将发现的“强射电”类星体将能够更深入地观察早期宇宙

遗憾的是，由于观测时间短，研究小组没有足够的时间对这个新物体进行详尽的评估。在研究团队首次发现该类星体之后，他们又通过其他望远镜进行了几次观测，其中包括欧洲南方天文台甚大望远镜(VLT)上装备的 x 射线射手(X-shooter)仪器，该设备能够使研究人员对类星体的特征进行更广泛综合的分析。其中包括黑洞吞噬周围物质的速度，以及目前(130亿年前)黑洞的质量。参与这项研究的其他望远镜包括美国的凯克望远镜和美国国家射电天文台的甚大（VLA）望远镜。

最引人注意的研究成果是研究小组怀疑在发现 P172 + 18的位置坐标上还有更遥远的强射电类星体。“这一发现让我感到乐观，我相信——也希望——距离记录将很快被打破,”巴尼阿多斯在新闻稿中补充说。当我们发现下一个强射电类星体时，我们就应该能够窥视到宇宙最初期的状态。

这是一个突发事件，并且将会随着新信息的出现而定期更新。（作者: Brad Bergan/布拉德 · 伯根）

《最新研究：等你（在宇宙里面）绕一圈回来，地球可能已经不存在了》（2021-07-27 大纪）报道：

大部分科学家认为宇宙是平坦的，向四周无限延展。一些科学家最近从数据分析中却找到一些证据，显示平坦的说法在某个层面来说也合理，但是存在局限性，他们提出，宇宙从整体上可能是像甜甜圈那样的形状。

6月24日提交给预印网arXiv一份研究提出了这样的想法。德国乌尔姆大学（Ulm University）和法国里昂大学（Université de Lyon）的科学家合作研究了来自早期宇宙的微波背景数据（CMB），认为平坦宇宙的概念并不是宇宙的全貌。

研究者之一里昂大学的宇宙学教授布赫特（Thomas Buchert）说：“我们的论文提出了一个三维甜甜圈的宇宙模型。”

这个模型最早在上个世纪80年代由一些科学家提出，但是从2003至今，多数科学家认为宇宙应该是平坦的形态。他们主要的依据是根据一些红移数据显示，时空中如果有两条平行线，它们将一直保持平行并无限延伸。

但是，这份研究从CMB数据中发现有些数据是缺失的，如果宇宙是平坦的，这部分数据就应该存在。由此他们认为，一个可能的解释是，宇宙具有“多处连接”的特点，也就是说在数据缺失的那些地方，正是宇宙弯曲后自我连接起来的地方，就像甜甜圈那样。

研究人员向vice传媒解释说，就像你把一张原来扁平的纸弯曲起来，这并不会改变上面线条平行的特点。所以他们认为，这意味着宇宙既是“平坦的”，又是“甜甜圈”的形状，两者并不矛盾。这正是他们从CMB数据看到的情况。

然而，布赫特承认，如果这个理论得到证实，这说明宇宙不是无限的。“有限宇宙模型会让一些人感到震惊，但其实人们是感觉不到它的边界的。”布赫特承说。

那么，即使不会“不小心”撞上宇宙的边界，是不是有可能朝着一个方向旅行，最后却回到原地？这份研究的作者认为，理论上说的确如此。

“光能够在有限的宇宙中完成环线旅行，但对于太空旅行者来说就难了。当然，如果将来的技术能够实现太空虫洞，或是实现曲速引擎，以超光速的速度旅行，那么从理论上说，真的可能会回到原地。”

不过布赫特说，即使人们将来真的能够坐上曲速引擎飞船，要从宇宙中绕行一圈回到地球恐怕也难。“曲速引擎泡泡里面的时间应该比地球上过的慢，等你（在宇宙里面）绕一圈回来，地球可能已经不存在了。”

（另起一页）

【161卷】

宇宙朝圣导论

Cosmic Pilgrimage Introduction

《宇宙朝圣》第一卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume One

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第161卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 161

内容提要

如果我们不能用一种朝圣的态度和方式去从事宇宙探险、宇宙旅行和宇宙殖民，那么其结果一定是极为悲剧的。

Synopsis

If we cannot use a pilgrimage attitude and method to engage in space exploration, space travel, and space colonization, then the result must be extremely tragic.

【162卷】

无垠宇宙

Boundless Universe

《宇宙朝圣》第二卷

Cosmic Pilgrimage Volume Two

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第162卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 162

内容提要

宇宙像一个万花筒，随着人类的观测能力而不断延伸……

Synopsis

The universe is like a kaleidoscope, continuously extending with the observation ability of human beings...

【163卷】

外星生命

Alien Life

《宇宙朝圣》第三卷

Cosmic Pilgrimage Volume Three

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第163卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 163

内容提要

能够抵达地球的外星人，比地球人类更善良还是更凶残？

Synopsis

Aliens who can reach the earth are kinder or more cruel than human beings on earth?

【164卷】

地球母亲

Mother Earth

《宇宙朝圣》第四卷

Cosmic Pilgrimage Volume Four

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第164卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 164

内容提要

以往关于“天堂”的思想，体现的恰恰是类似地球般的温柔的蓝色；而宇宙空间的多数色彩，反而是类似“地狱”般的黑暗的，或是类似“炼狱”般的炽热的。

Synopsis

In the past, the thought of "heaven" reflected the gentle blue like the earth; but most of the colors in the universe were dark like "hell" or hot like "purgatory".

【165卷】

走向太空

Go To Space

《宇宙朝圣》第五卷

Cosmic Pilgrimage Volume Five

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第165卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 165

内容提要

走向太空是划时代的一步，与此同时，互联网整合了地球——这不能说是一个简单的巧合。

Synopsis

Going to space is an epoch-making step. At the same time, the Internet has integrated the earth-this cannot be said to be a simple coincidence.

【166卷】

登陆外星

Alien Landing

《宇宙朝圣》第六卷

Cosmic Pilgrimage Volume Six

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第166卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 16

内容提要

人类可以登陆月球，人造物体可以登录火星，而不仅仅是一次性地坠毁勘探。

Synopsis

Humans can land on the moon, and man-made objects can land on Mars, not just crashing and exploring all at once.

【167卷】

太阳系

Solar System

《宇宙朝圣》第七卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Seven

内容提要

太阳系是人类和人造物体目前可以到达的极限，就像宇宙为人类预先划定的一个鱼缸——你们可以看到外面的世界，但是你们到达不了外面的世界。

Synopsis

The solar system is the current limit that humans and man-made objects can reach, just like a fish tank pre-delineated by the universe for humans-you can see the outside world, but you cannot reach the outside world.

【168卷】

拟人天象

Anthropomorphic Astrology

《宇宙朝圣》第八卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Eight

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第168卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 168

内容提要

宇宙物质的分布，从太阳系、银河系、星系团（群）到超星系团，仿佛构成一个又一个“阶梯”。……当天文学家测量出相对于宇宙微波背景辐射（CMB）的运动时，莱登-贝尔等人（1988年）猜测有个"巨引源"，但是他的本质为何仍然难以理解。……在我看来，上述宇宙的结构好像进行着觐见礼。这是宇宙规模的朝圣历程。我把这叫做上帝的奇迹。上帝让我们到这世界上来，就是为了让我们能够见证这样的业绩。

Synopsis

The distribution of cosmic matter, from the solar system, the Milky Way, galaxy clusters (groups) to super galaxy clusters, seems to form one "staircase" after another. …When astronomers measured the motion relative to the cosmic microwave background radiation (CMB), Leiden-Bell et al. (1988) speculated that there was a "giant attractor", but its nature is still difficult to understand. ...In my opinion, the structure of the above-mentioned universe seems to be undergoing an audience meeting. This is a pilgrimage on a cosmic scale. I call this a miracle of God. God asked us to come to this world so that we can witness such achievements.

【169卷】

黑洞内外

Inside and Outside the Black Hole

《宇宙朝圣》第九卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Nine

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第169卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 169

内容提要

Synopsis

【170卷】

新的地心说出现了

A New Geocentric Theory Appears

《宇宙朝圣》第十卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Ten

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第170卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 170

内容提要

新的地心说出现了——地球是宇宙观测的中心。对于人类来说，事情只能如此。因为人类不可能到太阳上观测宇宙，也不可能前往银河中心进行活动，所以，日心说和银心说，都是臆测甚至是妄想。宇宙或许没有中心，但地球显然是宇宙观测的中心。

Synopsis

A new geocentric theory appeared-the earth is the center of cosmic observation. For humans, things can only be so. Because it is impossible for human beings to observe the universe from the sun, nor to go to the center of the galaxy to carry out activities, the heliocentric theory and the galactic center theory are all speculations or even delusions. The universe may not have a center, but the earth is clearly the center of cosmic observation.

（另起一页）

书名

黑洞内外

Inside and Outside the Black Hole

《宇宙朝圣》第九卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Nine

作者

谢选骏

Xie Xuanjun

出版发行者

Lulu Press, Inc.

地址3101 Hillsborough St.Raleigh, NC 27607—5436 USA

免费电话1—888—265—2129

国际统一书号ISBN:

定价US$最低

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第169卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 169

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2021年8月29日星期日

谢选骏全集第169卷：黑洞内外

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