探索宇宙黑洞

宇宙起源于黑洞

1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家惠勒命名为“黑洞”。




随着天文观测的数据越来越多，黑洞存在的证据也越来越多。2019年，在多国科学家协力合作下，人类拍摄了首张黑洞照片，该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。时至今日，黑洞已经不仅仅是理论上的东西，而是被证实了的东西。


现代物理学认为，宇宙有一个起点，时间和空间都是在一个奇点的爆发中创造出来的。这一理论被称为宇宙大爆炸理论。宇宙大爆炸理论非常符合当代天文观测，因此被广为接受。


把整个宇宙的物质塞进一个点，那不就是一个超级大黑洞吗？

物理学的对称性告诉我们，过去和现在都受到同一套自然规律支配着。今天起作用的自然规律，在过去也是一样有效，并且将来还会有效。因此，我们才能推测遥远的过去曾经有过什么，也能对未来加以预测。如果宇宙之初也遵守今天的物理定律，那么，宇宙之初，大量物质聚集在一个奇点，就应该是一个超级大黑洞。

那么问题来了：这个超级大黑洞是如何孕育出我们这个宇宙的呢？

在黑洞理论形成的初期，人们以为黑洞不会放出任何东西。然而，霍金证明，由于量子涨落，黑洞会放出辐射。这种辐射现在被人们称为霍金辐射。




霍金墓碑上刻着黑洞温度公式，公式左边即黑洞温度T，右边的h为普朗克常数，c为光速，π是圆周率，k是玻尔兹曼常数，G为引力常数，M是质量。

从霍金辐射公式可以看出，黑洞的辐射只与其质量有关，且与质量成反比。质量越大，黑洞的温度越低，其能放出的辐射越少。我们还能从该公式看出，黑洞是一个负比热系统。黑洞吸收的热量越多，其温度就越低，放出的热量越少。其实这很容易理解：热是微观粒子的运动，黑洞吸收物质（能量）会让自己变重，越重自然运动得越慢，因此温度也就越低。反过来，假设黑洞放出的热量，那么黑洞就会越来越热，越热就越倾向于放热，最后会爆发消失！

黑洞是吸热还是放热，取决于视界内外的热平衡情况。热量始终是从温度高的地方流向温度低的地方。若是视界外温度高，则黑洞吸热，反之，黑洞放热。因为黑洞特殊的负比热特性，其吸热时会变冷，放热时会变热，因此，一般情况下吸热的黑洞就会一直吸热，而放热的黑洞则可以持续放热。

黑洞越小，温度越高。假设将一辆1000吨的火车压缩成一个黑洞，其温度高达7.7×1017K，如此高温的黑洞，必然会迅速放热而爆发消失。鉴于小黑洞一旦形成就会爆发消失，所以太小的黑洞并不能稳定存在。因此，稳定存在的黑洞必须拥有巨大的质量。

1936年﹐奥本海默等证明存在一个临界质量，一颗热核能源耗尽的星体﹐如果质量大于这个临界质量﹐就不可能成为稳定的中子星，它很可能坍缩形成黑洞，这个临界质量被称为奥本海默极限。也就是说，如果是恒星死亡后诞生的黑洞的话，其形成的条件需要恒星达到某个临界质量。

人类实际能在宇宙中探测到的黑洞，质量一般很大，因此，它们的温度都是极低的。假设一颗星核质量为三倍太阳质量的恒星塌陷为黑洞，其温度约为1.3×10`-7K。如此低温的黑洞，必然能从宇宙中吸收热量而不断变大。

按照黑洞理论，诞生宇宙的奇点拥有极大的质量，必然意味着其温度极低。许多书籍介绍大爆炸时认为，诞生宇宙的奇点温度极高，这是错误的。宇宙诞生之初，一定极冷！

在现在的宇宙中，黑洞一旦形成，就开始不断吞噬宇宙中的能量，然后变得越来越冷。这个过程没有什么力量能够阻止，黑洞不断成长，互相兼并，长此以往，宇宙间的一切物质，最终都将掉入黑洞。因此，宇宙会越来越冷。直到有一天，整个宇宙归于一个黑洞！

但黑洞不是宇宙的终点。黑洞并不会在极冷的热平衡中永恒死寂，因为量子涨落的随机性让黑洞无法实现完全的热平衡。

当周围的能量都流进黑洞，视界外的温度越来越低，越来越接近绝度零度，到最后，黑洞几乎无法在从周围获取能量，这时，只要一次量子涨落，至今为止一直吸热的黑洞，就有可能转变为放热的黑洞。也就是说，当黑洞从外界获得能量（物质）的概率过小时，黑洞的状态会由吸热过程转变为放热过程！应验了那句古语：物极必反！

由于黑洞特殊的负比热特性，一旦开始放热，黑洞就会越来越热，这个过程将以不可逆转之势持续下去，越放热，黑洞就越热，越热也就越能放热！起初很慢，然后越来越快，到最后，黑洞会彻底爆发，直至消失！

发现了吗？这就是我们的宇宙大爆炸！

所以，我们这个膨胀的宇宙就是一个超级大黑洞逆转爆发而产生的。这个超级黑洞的爆发，诞生了我们这个膨胀的宇宙。根本不需要莫名其妙的暴胀理论。

科学家在宇宙中发现的第一个黑洞是什么样的？

可喜可贺，一种新的黑洞搜索方法应用于探索后，现在有了成果。天文学家发现了一个恒星质量的黑洞，其质量大约是太阳的70倍，但是根据目前的恒星演化模型，至少在银河系中，它的大小是不可能的。对光子围绕黑洞旋转的艺术构想。（尼科尔R.富勒/美国国家科学基金会）银河系最大质量恒星的化学成分表明，在恒星核心坍缩成黑洞之前，它们在生命的最后阶段通过爆炸和强大的恒星风失去了大部分质量。质量范围内能够产生黑洞的巨大恒星有可能在所谓的双不稳定超新星中结束它们的生命，这种超新星将会彻底毁灭恒星核心。因此，天文学家们绞尽脑汁试图弄清楚这个黑洞——名为LB-1——是如何变得如此巨大的。中国国家天文台的天文学家刘继峰说:“根据目前大多数恒星演化模型，如此大质量的黑洞根本不应该存在于我们的星系中。”“LB-1的质量是我们想象中的两倍。现在理论家们将接受探究它是如何形成的挑战。”探索黑洞的方式非常巧妙。黑洞，如果它们不是活跃的增生物质，那么在光谱中几个波长发光的过程，实际上是看不见的。它们不会释放出任何我们能探测到的辐射——没有光，没有无线电波，没有x光，什么都没有。但这并不意味着我们并没有任何检测的方法。图源：tech早在1783年，英国自然科学家约翰·林可唯(第一个提出黑洞存在的人)就提出，如果黑洞被一些发出光的物体(如伴星)围绕着轨道运行，那么黑洞可能是可探测的，这些物体会绕着由此产生的双星系统的共同重心旋转。这就是现在所知的径向速度法，这是我们寻找和确认难以观测的系外行星存在的主要方法之一，因为系外行星会对恒星产生微小的引力影响。它也被用来寻找其它不可见的物体——黑洞。图源:workcn刘和他的同事在中国使用大天空区域多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)搜寻这些不稳定的恒星，并找到了一颗主要序列的蓝色巨星。但是，通过使用西班牙强大的大加那利望远镜和美国的凯克天文台的后续观测，科学家们有了惊人的发现。LB-1的艺术构想（于景川2019年作于北京天文台）这颗恒星大约有3500万年历史，其质量约为太阳的八倍，每79天围绕黑洞运行一次，研究人员称其运行轨道为“神奇的圆形”。已经探测到了另一个质量范围相似的黑洞，其质量约为太阳质量的62倍——它是由一对双星中的两个黑洞碰撞产生的——这是人类首次直接探测到的引力波。它不是银河系中的黑洞，但它证明了如此大质量的黑洞可能形成的方式。图源：sohu但是新发现的LB-1仍然有它的双星伴星。一种情况可能是，LB-1是由两个黑洞碰撞形成的，后来捕获了这颗恒星——但是伴星的圆形轨道的存在又是一个疑问。一次捕获会产生一个高度偏心的椭圆轨道。时间可以使这个轨道变得平滑，但它需要的时间比这颗恒星的年龄还要长。图源：workcn然而，一种可能性是，它可能是后备超新星，垂死恒星喷射出的物质会立即落回到其中，导致黑洞的直接形成.这是在某些条件下的可能理论，但是目前还没有直接的证据。研究人员在论文中指出，也许LB-1可能就是直接的证据。“它是如何形成的”这个疑惑，使LB-1突然变成了银河系中最吸引目光的物体之一，接下来可能会有一连串的后续观测。“这一发现使黑洞形成理论有望得到革新，”大卫·赖兹说，他是佛罗里达大学的激光干涉引力波天文台的领导人，他并没有参与这项研究。“这一引人注目的结果，加上过去四年中美国激光干涉引力波天文台（LIGO）及欧洲室女座引力波天文台（Virgo）对双星黑洞碰撞的探测，确实表明我们对黑洞天体物理学的理解有所复兴。”

科学家发现一个强大的黑洞，有助于揭开宇宙起源之谜

超大质量黑洞的老祖宗被哈勃发现，产生于宇宙爆炸后一秒

超大质量黑洞（英语：Supermassive black hole）是一种黑洞的类型，其质量介于100万倍至100亿倍太阳质量之间。通常相信在包括银河系在内所有星系的中心，都会有一个或数个超大质量黑洞的存在。

在最近的一项研究中，来自哥本哈根大学和其他机构的天文学家确定了一个“超大质量黑洞的祖先”，它诞生于138亿年前大爆炸后不久。

利用哈勃太空望远镜，他们发现了一个距离地球130亿光年的红色尘埃物体。它诞生于big bang 7.5亿年后的“宇宙黎明”，可能是已知最早的超大质量黑洞祖先，为理解超大质量黑洞如何在早期宇宙中快速增长提供了新的途径。

以前的模拟研究表明，这种物体存在，但天文学家表示，这是第一次实质性的发现。这个遥远天体的性质介于星系和类星体之间，是天文学家用哈勃太空望远镜发现的。哈勃望远镜作为标志性的太空望远镜，自1990年发射升空以来，已经成为人类天文学史上最重要的太空 探索 仪器。它不受天气变化和空气污染的影响，比地面上的望远镜看得更远，能更深入地观察宇宙深处。

这个古老的天体是“半星系，半类星体”，具有介于尘埃恒星形成星系和明亮发光黑洞(类星体)之间的特征。它被称为过渡红色类星体，理论上认为它存在于早期宇宙中，但之前从未被观测到。

在天文学中，“看得更远”意味着能够观察到宇宙中更早发生的现象。由这些现象发出的光和其他类型的辐射在被我们探测到之前将经历更长的传播时间。

这个由国际天体物理学家团队发现的物体将两个罕见的天体联系在一起——尘埃星爆和异常明亮的类星体，从而为理解早期宇宙中超大质量黑洞的快速增长提供了一种新的方法。

这个新发现的天体被研究小组命名为GNz7q，诞生于大爆炸后7.5亿年，大爆炸通常被认为是我们所知的宇宙的开端。BIGBANG发生在138亿年前，GNz7q的诞生期被称为“宇宙黎明”。

这个早期星系产生新恒星的速度似乎是今天银河系的1600倍。所有这些新恒星都释放出巨大的热量，加热了星系周围的气体，使其在红外波段发出明亮的光。在尘埃中，布拉默的团队发现了一个红色的斑点，一个巨大而紧凑的物体，被巨大的尘埃雾包围着。

这个新发现的物体被研究人员命名为GNz7q，位于这张哈勃望远镜深空探测图像的中心。

GNz7q的发现与一种特殊类型的类星体有关。科学家认为类星体是极其明亮的活动星系核，活动星系核发出的辐射是宿主星系中心超大质量黑洞物质吸积产生的。哈勃太空望远镜和其他先进望远镜拍摄的图像显示，类星体出现在星系的中心。

GNz7q的宿主星系是一个恒星形成非常活跃的星系，孕育恒星的速度是银河系的1600倍。这些恒星反过来会产生并加热宇宙尘埃，使其发出红外辐射；这些辐射如此强烈，以至于GNz7q的宿主星系比宇宙黎明中任何其他已知的天体都要亮。

极大质量黑洞，存在于体积较大星系。2015年9月，天文学家发现一个超大质量黑洞位于超紧密矮星系M60-UCD1。

近年来，天文学家发现明亮的类星体由超大质量黑洞提供动力，黑洞的质量是太阳的几百万到几百亿倍，周围有大量气体。当气体落到黑洞时，会因摩擦而升温，从而产生强烈的发光效应。

超大质量黑洞是如何形成的？

超大黑洞通常存在于银河系中心，比如人马座A*。令人不解的是超大质量黑洞是如何形成和演化的。首先，恒星坍缩产生的恒星黑洞不应该是超大质量黑洞的起源，超大质量黑洞的起跑线明显更高。其次，超大质量黑洞诞生后，会经历很长一段时间的强劲增长。

科学家发现超大质量黑洞主要有两种“吃”的方式。首先是粉尘气体。这种模式通常出现在活动星系核中，超大质量黑洞不断在其周围积累尘埃和气体，整个过程相对温和。第二，吞噬星辰。这种方法的学名是恒星撕裂事件。当恒星落入超大质量黑洞时，首先被超大质量黑洞强大的潮汐力撕裂，然后恒星物质在黑洞周围形成吸积盘，然后被吞噬。整个过程相当紧张和短暂。

然而，这两种方法都无法对超大质量黑洞不可思议的形状给出满意的解释。现在，科学家似乎找到了一种喂养超大质量黑洞的新方法，这可能有助于揭开超大质量黑洞形成的奥秘。

理解超大质量黑洞在早期宇宙中是如何形成和成长的已经成为一个主要的难题。理论家们预测，这些黑洞将经历一个快速增长的早期阶段:一个被尘埃染红的致密物体将从一个被尘埃覆盖的星爆星系中出现，然后通过驱逐周围的气体和尘埃，逐渐成为一个未被覆盖的发光致密物体。

虽然有研究发现宇宙初始阶段存在明亮类星体，但在类似时期没有发现黑洞及其星爆宿主快速增长的过渡阶段。此外，GNz7q的观测特征与理论模拟符合得很好，表明这是充满尘埃的星核转变为黑洞并迅速增长的第一个例子。这个物体就是后来的超大质量黑洞的祖先。

有趣的是，GNz7q是在一个被广泛研究的天空区域的中心被发现的，这个区域被称为“哈勃商品北”。这说明重要的发现往往就藏在眼前。

目前，研究小组希望借助美国国家航空航天局(NASA)新发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜，找到类似GNz7q的天体。在詹姆斯·韦伯望远镜的帮助下，科学家有可能完全确定这些天体的特征，并更详细地 探索 它们的演化和潜在的物理现象。一旦进入正常运行，詹姆斯·韦伯望远镜将能够获得决定性的探测结果，以确定这些快速增长的黑洞有多常见。

具有强大引力的黑洞

黑洞的密度如此之大，以至于其引力如此之强，以至于任何形式的辐射(包括光)都无法逃脱。在宇宙中，黑洞是一个强大的引力源，可以吸走周围的尘埃和气体。天文学家认为，黑洞的强大引力维持着星系中恒星的轨道。

我们对黑洞是如何形成的仍然知之甚少。天文学家认为，它们可能是比太阳大10万倍的巨大气体云坍缩形成的最早的黑洞“种子”。许多这样的“种子”会融合形成一个更大的超大质量黑洞。在每个已知的大质量星系的中心，天文学家都发现了超大质量黑洞的存在。

另一种说法是，超大质量黑洞的“种子”可能来自一颗巨大的恒星，其质量约为太阳的100倍，最终在耗尽燃料并坍缩后形成黑洞。当这些巨星死亡时，它们也可能成为“超新星”，这是一种巨大的爆炸，将恒星外层的物质抛向深空。

形成超大质量黑洞的问题是如何在足够小的体积内加入足够多的物质。要做到这一点，物质中几乎所有的角动量都要去掉。角动量向外的去除是限制黑洞膨胀的因素，会导致吸积盘的形成。

根据观测，黑洞的类型有一些差距。一些由恒星坍缩而成的黑洞最大质量约为10个太阳。最小的超大质量黑洞有几十万个太阳质量。但是它们之间没有质量的黑洞。然而，一些模型表明，异常明亮的X射线源可能是这个丢失范围内的一个黑洞。

什么是类星体？

类星体是“类恒星射电源”的缩写，描述明亮的活动星系核。众所周知，所有星系的中心都有一个超大质量黑洞。当流入黑洞的气体和尘埃达到一定程度时，就可能导致“类星体”的形成:在黑洞的强大引力作用下，附近的尘埃、气体和一些恒星物质围绕着黑洞，形成一个高速旋转的巨大吸积盘；当吸积盘内部的物质落入黑洞时，能量会以电磁辐射的形式释放出来，光度可达普通星系(如银河系)的数千倍。

类星体通常有3260光年宽，但它们平均只存在1000万到1亿年，这使得它们在数十亿年的星系中相对难以找到。从快速旋转的吸积盘中喷出的粒子会以接近光速的速度向外运动，驱动这些高能“引擎”发出极其明亮的光和无线电波。

黑洞”是恒星演化的最后阶段。根据有关理论，当一颗恒星衰老时，其中心的燃料（氢）已经被耗尽，在外壳的

1 首先形成黑洞的行星质量是太阳的数倍，恒星内部巨大的压力使所含氢元素发生聚变反应，释放能量，并足以同恒星巨大的万有引力抗衡，维持恒星状态的平衡。氢原子聚变生成氦，还聚变生成锂，直至生成相对稳定且不易发生核反应的铁元素，此时恒星内部能量不足以与万有引力抗衡，巨大引力使恒星发生坍缩，产生一个密度无穷大，质量无穷大，直径无穷小的天体，其引力极大，以至于任何物质都不能逃脱。
2 但根据霍金的黑洞理论，黑洞是在不断蒸发的，所以黑洞最终可能变小或蒸发
3 根据斯莫林 和 本人的 宇宙形成的虫洞喷发理论，黑洞的存在其实是一个时空奇点，物质坠落到黑洞中，经黑洞所打开的时空之门（时空奇点 或 虫洞）到达另一个时空，而在另一个时空这种现象就相当于一次宇宙大爆炸，而我们所处时空的黑洞中的奇点也就是另一个时空开始的奇点；。


至于比较两个球体的大小 原恒星的大小可以大到我们太阳的十数倍，而所形成的黑洞大小则可已无限趋于零。