FAT:黑洞的事件视界里发生了什么，它的生长与星系的演化有何关联？_BOO

本文参加百家号科学Billions项目组系列征文

作者：文/虞子期

黑洞，作为任何事物都难以从其事件视界中逃脱的天体，拥有无法比拟的巨大引力，以至于该空间中的时光曲率甚至大于光速。尽管科学家们至今也无法实现对黑洞进行直接观测，但这并妨碍它成为我们最感兴趣的宇宙存在体之一。通过观察其吸积盘周围所散发出的热量和辐射发现，在绝大多数星系的中心，都隐藏着一个我们看不到的超大质量黑洞，并且，它们本身的质量也存在着较大的差距。比如，科学家们通过星系GSN069中心的强大X射线爆发，意外发现了其中超大质量黑洞吞噬物质的特殊规律。那么，在黑洞的事件视界里到底发生了什么，黑洞的生长与星系的演化又有哪些密不可分的联系？

具有特殊吞噬规律的超大质量黑洞

在星系GSN069的中心，科学家们发现了一个定期消耗大量材料的超大质量黑洞，其吞噬物质的时间周期大约每次间隔9个小时。在此之前，研究人员仅在两个“恒星质量黑洞”中观察到过这一现象，而这个与地球相距2.5亿光年的黑洞，其质量达到了太阳质量的40万倍左右。简而言之，该黑洞每天所吞噬的物质相当于12颗卫星，而每一次的材料消耗都达到了大约100亿。科学家们将这样的现象称为X射线准周期性喷发，并对其具有特殊周期性爆发的事件，进行了长达54天以上的追踪，提供了超大质量黑洞中流入物质后反复减速和加速的观察机会。在黑洞的爆发期间和安静期间，X射线的亮度差异达到了20倍左右，而气体温度也从安静时期的大约100万华氏度上升到了爆发时的250万华氏度左右。

科学家们认为，之所以黑洞能够发出如此强烈的X射线，是因为其已完全撕裂、又或是正在逐步消耗材料。尽管，黑洞在消耗了物质之后产生了气体并不是什么新的发现，但是，或许你有所不知，由于很难将这些热气体与黑洞周围的物质盘关联起来。因而，它们的起源本身就是一个困扰已久的谜团，只有通过研究这样的超大质量黑洞，才能得以获取这些反复消失和形成的热气体的重要线索。而星系GSN069中黑洞所呈现出的异常规律性，很可能意味其中的循坏在重复，当盘中的能量积累到使它变得不再稳定，物质便开始迅速落入该黑洞中产生爆发，而这一切，都与黑洞的事件视界密切相关。

在黑洞事件视界里到底发生了什么

事实上，黑洞的事件视界，指的是某个物体需要超过怎样的速度，才能逃脱来自黑洞的巨大引力，以避免自身被撕裂的命运。就其本质而言，它与物体的逃逸速度直接相关，它就像是黑洞周围的一个“阈值”，且逃逸速度必须超过光速。当物体和黑洞之间的距离越来越近，那么，想要不被这股巨大引力牵扯、所需要的速度值也随之变得更大。然而，从狭义相对论来看，并没有什么物体可以在穿越太空的时候，达到比光速更快的速度。也就是说，任何事物都难以从黑洞的事件视界返回，这同时也意味着，我们无法目睹在此边界中发生的一切。其实，一个黑洞能产生的引力强度，会由其本身的质量，以及它与物质之间的距离一起决定，当质量大致相当的时候，拖船越强大、便意味着距离越靠近。

而黑洞的事件视界大小，则完全取决于该黑洞本身的质量，我们可以通过一组数字来具体感知。比如，当一颗地球般大小的星球被压缩为黑洞，那么，它将成为一个比硬币略小、直径大约只有17.4毫米的黑洞；而当太阳一般大小的恒星也被压缩为黑洞，那么，它就像一个村庄一样、可以成为一个直径5.84公里左右的黑洞。当然了，科学家们平时所观察到的黑洞都远比这两个大得多，比如，位于我们银河系中心的超大质量黑洞射手座A*，其直径便达到了1270万公里左右，且它的质量更是太阳质量的大约430万倍。

科学家们在对黑洞进行长时间研究之后，假设条件从无旋转行为演变为通常都会旋转，而关于黑洞的奇点的定义，也随之从最基本模型中的一个具体的点，转变为目前模型中无限细的环。因而，旋转黑洞中的事件视界也应该是椭圆形，其周围的时空因为拖拽效应而随之旋转，并且，其事件视界也被分为了内部事件视界和外部事件视界两个部分。就物质到能量的转化这个角度而言，黑洞的旋转特性可以使其对落入其中的物质进行更有效的转化，而它可以通过转化得到的能量，足以达到物质本身质量的42%。众所周知，几乎所有大型星系的中心，都存在着超大质量黑洞，它们的能量可以对该星系的演化带来重大影响，因此，了解黑洞周围的环境，以及它的生长与星系演化之间的关系，对于解答宇宙中的众多疑惑而言都是至关重要的。

黑洞的生长和星系的演化密切相关

为了对黑洞增长与星系质量之间的关联有准确认知，科学家们使用了GOODS超过30000个星系的数据，并结合了通过COSMOS获取到的500000多个星系世界。从这些和地球相距43到122亿光年远的星系来看，那些更大的星系能够相对更有效的滋养黑洞的生长，因而，那些较大的星系也会产生质量更大的黑洞。与此同时，科学家们再次将目标范围缩小到与地球相距不超过35亿光年的星系，并通过对这72个明亮星系团的研究发现，这些黑洞的实际大小比通过传统方式所预测的要大十倍左右。简而言之，星系和其中的黑洞的成长，并不会永远都是一个看上去很匹配的集合。

在对黑洞和星系进行的相关研究中，科学家们都将两者之间的关系作为重要的一个内容部分，而其中的原因主要有两点。其一：星系的形成规律，可以通过黑洞和星系之间的任何恒定关系得到更好的解释；其二：科学家们可以根据其中一个的大小，计算得出另一个的质量，比如，确定该星系中超大质量黑洞的质量。虽然，较星系的整体大小而言，黑洞会显得相对更加渺小，但黑洞的生长却与星系的大小密切相关，黑洞的生长会因为星系的质量越大而速度越快，而那些最大的黑洞的生长速度，甚至会超过其星系本身。比如，在X射线光下的HerculesA星系中心，该星系中的黑洞在吞噬物质时产生了巨大的紫色云，而这个超大质量黑洞的大小，甚至达到了银河系中心的黑洞质量的1000倍左右。

关于黑洞的早期理论和现代观念

早在1783年的时候，业余天文爱好者牧师约翰·米歇尔就意识到，对于那些足够大、且紧凑的物体而言，逃逸速度将远不止于光速。于是，他基于艾萨克·牛顿定律的重力，提出了“黑暗的恒星”这个想法，这是一颗会具有特殊发光方式的恒星，光线也会因为被拉向恒星而无法逃脱。然而，被普遍认为首次提出暗星想法的人，他是皮埃尔·西蒙·拉普拉斯，他在几年之后也独立得出了相同的结论。而黑洞的现代观念，则利用了爱因斯坦的广义相对论，由德国天文学家卡尔施瓦兹希尔德所开发，即：当物质被压缩到某一点、并被球形区域包围的时候，包括光在内的任何物质都不再具有逃脱的能力，而这一的限制区域被称为黑洞的事件视界。

黑洞具有电荷、旋转和质量这三个参数表征，也可根据质量将其分为原始黑洞、恒星质量黑洞、中间质量黑洞，以及超大质量黑洞四种主要类型。而从黑洞的旋转和电荷这两个属性的角度来看，黑洞又可以被分为静态黑洞、克尔黑洞，以及带电黑洞三种。简单的从理论模型来看，似乎黑洞可以自形成以后永远持续生长，但黑洞也会有自己的寿命，它们最终都会因为霍金辐射而蒸发，而其中质量相对更小的黑洞会具有更快的蒸发速度。由于辐射也不能逃脱黑洞的极端引力，因此我们很难获取黑洞的观察证据，只能从高能现象、以及附近物体的运动中获取推断信息。

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