黑洞又不发光，我们怎么知道它存在？

黑洞的质量是那么的大，连光都无法逃逸。那天文学家又是如何感知它们的呢？...



黑洞的质量是那么的大，连光都无法逃逸。那天文学家又是如何感知它们的呢？



银河系中心超大质量黑洞“人马座A*”周边。NASA / UMass / D.Wang等 / STScI

如果这个黑洞离我们足够近，近到我们可以解析出它周围的恒星，那么我们就可以通过观察这些恒星的运动状态，来推算出它的存在。

比如在我们银河系的中心，许多恒星围绕着一个不发光的质点运行。这个质点所对应的，就是一个超大质量黑洞。

但是如果黑洞离我们不够近，那么我们也能够通过一些特定的现象，来发现它。

黑洞的引力极其强大，从它身边经过的很多天体，都会被它撕成碎片。而黑洞除了有强大的引力场，还有一个强大的磁场。离它的视界越近，磁场就越强。因此当带电粒子加速穿越它的磁场时，会获得越来越大的能量，并产生辐射。



艺术家在哈勃照片上叠加描绘的星系中心超大质量黑洞喷流。这个星系是Arp 220。NASA / JPL-Caltech

这些辐射多半是X射线。而在黑洞的两极，还会产生巨大的喷流。这些现象的存在，表明那里正有一个黑洞，正在大肆吞食宇宙间的物质。

而根据X射线的强度，我们可以推算出黑洞的质量。

这样的黑洞被认为是“活跃”的黑洞。如果黑洞不够“活跃”，那么我们也有办法获知它的存在。



艺术家描绘的黑洞积吸盘与双极喷流。NASA / ESA / Martin Kornmesser (ESA / Hubble)

首先，几乎所有黑洞周围都有积吸盘。这个积吸盘会发出昏暗的红光。而且由于积吸盘物质运动的速度是由外向内逐渐递增的，因此如果我们可以看到它，就会发现它的颜色由外向内会逐渐从红色向紫色过渡，如同“彩虹”一般。

所以只要黑洞存在着积吸盘，我们就有机会看到它。

但是在宇宙中，还有一些黑洞处于完全的“休眠”状态。它们既没有吞食物质，也没有积吸盘。要感知它们的存在，我们是否只有依靠引力测算的方法了呢？

也不尽然。



艺术家描绘的双黑洞。NASA / ESA / G. Bacon (STScI)

也许我们可以通过引力波来感知黑洞的存在。LIGO在今年初就感知到了两个黑洞合并产生的引力波。但这只有当黑洞发生合并这种极端现象时，才有可能产生足够强的引力波并被人们俘获。

还有一种方法是感知霍金辐射。

量子力学认为，所谓的真空，是正-反粒子对在瞬间的出现和湮灭。而在黑洞边界处，这些粒子对中的一个会坠入黑洞，另一个则会向外界逃逸，并使黑洞损失质量。这就是所谓的“霍金辐射”。



霍金辐射模拟。BBC

理论上，我们可以测量霍金辐射的温度，进而感知黑洞的存在。但即便是银河系中心的超大质量黑洞，其霍金辐射的温度也只有10^(–15)K。这么低的温度会被彻底地淹没在宇宙微波背景里。

不过随着黑洞的蒸发，霍金辐射的温度会逐渐升高。一个黑洞完全蒸发需要大约10^100年。在理论上，当黑洞彻底蒸发的那一刻，会发出一道强烈的闪光，释放出大致相当于一个核弹爆炸的能量！因此如果我们可以在宇宙中观察到这样的闪光，也就等同于获知了一个黑洞的存在。（理论上如此，实际上还从未观察到过。当前宇宙的年龄还不足以让任何一个黑洞彻底蒸发。）

总结一下，当今的天文学家，大多是通过引力效应和X射线辐射来感知黑洞；在不久的将来，如果望远镜的解析力大大提高，我们还可以直接观察积吸盘来感知黑洞。

我们可以通过探测引力波，来感知发生合并的黑洞；而如果有一天，如果人类的科技发达到可以感知霍金辐射，那我们就又会多一种感知黑洞的方法。

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