劉繼峰??王??松
人類首次拍到的黑洞照片。
恒星級(jí)黑洞示意圖。
中等質(zhì)量黑洞與超高速星示意圖。
超大質(zhì)量雙黑洞示意圖。以上圖片均為中國科學(xué)院國家天文臺(tái)提供
黑洞，又一次成為熱議話題。2024年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”發(fā)布，“發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞影響宿主星系形成演化的重要證據(jù)”入選。
“高冷”的黑洞，總不缺乏熱切的關(guān)注目光。黑洞的背后有什么？自身不發(fā)光的黑洞，如何被“看見”和“聽見”？黑洞會(huì)引發(fā)“時(shí)空漣漪”嗎？對(duì)黑洞的好奇和認(rèn)知，牽引著人類對(duì)宇宙“進(jìn)化”的無限好奇。當(dāng)我們凝視黑洞，看到的不僅是宇宙奇觀，更是人類求索的勇氣與不斷刷新的科技標(biāo)尺。
——編 者
人類為什么要研究黑洞？
宇宙中，有一類天體是通過“吃”來長大的。它就是黑洞。
長久以來，黑洞一直是科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一?；艚鹪啻尉秃诙囱芯颗c人打賭，全輸了，成為科學(xué)史上的趣談。2019年，事件視界望遠(yuǎn)鏡發(fā)布首次給星系M87中心黑洞拍的照片，外形酷似甜甜圈的黑洞引發(fā)公眾熱議；2016年、2020年，黑洞研究兩獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
黑洞是如何“誕生”的？又是如何“長大”的？它如何與周圍的宇宙環(huán)境相互作用？
這一系列問題，我們統(tǒng)稱為黑洞的形成和演化——這是天文學(xué)的重大課題。按照體重，天文學(xué)家把黑洞分成三種類型：幾倍到幾十倍太陽質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞、星系中心幾百萬倍太陽質(zhì)量以上的超大質(zhì)量黑洞，以及介于二者之間的中等質(zhì)量黑洞。接下來，讓我們一起走進(jìn)黑洞“成長記”。
從“恒星葬禮”，到宇宙“巨無霸”，黑洞幾乎與宇宙中所有的劇烈爆發(fā)事件相關(guān)，卻又因其神秘性讓人難以理解。從愛因斯坦的紙筆推演開始，黑洞研究就像一場跨越百年的宇宙解謎游戲。
在解謎的過程中，技術(shù)的發(fā)展是人類最大的助力。引力波探測器讓我們“聽聲辨位”，捕捉黑洞并合的“時(shí)空漣漪”；事件視界望遠(yuǎn)鏡則像一臺(tái)“宇宙相機(jī)”，成功拍下了黑洞的“剪影”。
人類為什么要研究黑洞？黑洞研究與我們的生活密切相關(guān)：WiFi技術(shù)的誕生，最初是為了傳輸黑洞數(shù)據(jù)；引力波探測中的激光干涉技術(shù)，如今應(yīng)用于地震預(yù)警、精密制造和醫(yī)學(xué)成像……
黑洞不僅是宇宙的謎題，更是人類探索未知的象征。盡管前路漫漫，但幸運(yùn)的是，我們已經(jīng)“看見”“聽見”了黑洞，在揭開宇宙隱藏奧秘的路上，不斷前行。
銀河系內(nèi)究竟有多少恒星級(jí)黑洞？
想象一下：一顆比太陽重20多倍的恒星，在生命末期像一顆膨脹到極限的氣球，“砰”的一聲炸掉“外衣”，如煙花一樣照亮宇宙，這就是超新星爆炸。而恒星的核心——如果高于3倍太陽質(zhì)量，便會(huì)在引力作用下，迅速坍縮成一個(gè)連光都無法逃脫的“囚籠”，恒星級(jí)黑洞由此誕生。
第一顆被發(fā)現(xiàn)的恒星級(jí)黑洞是位于天鵝座的Cygnus X—1。按照恒星演化理論，銀河系中有數(shù)千萬例黑洞，并且質(zhì)量越小，數(shù)目越多。但目前為止，銀河系內(nèi)僅確認(rèn)了不到50例黑洞，其中3—5倍太陽質(zhì)量的小質(zhì)量黑洞是缺失的(稱為“黑洞質(zhì)量間隙”)。這意味著，目前的黑洞樣本可能有很大偏差，我們需要搜尋黑洞并建立大樣本，研究它的質(zhì)量分布。
黑洞非常小，自身不發(fā)光，如何找到它們？
天文學(xué)家發(fā)展出了很多方法，包括X射線方法(探測黑洞吸積伴星物質(zhì)發(fā)出的X射線)、引力波方法(探測兩顆黑洞互相繞轉(zhuǎn)發(fā)出的引力波)、視向速度方法(探測伴星繞黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)造成的多普勒運(yùn)動(dòng))、天體測量方法(探測伴星繞黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)造成在天球位置上的周期性變化)、引力透鏡法(探測黑洞經(jīng)過背景恒星前面造成恒星光度的變化)等。
這些年，黑洞的搜尋與測量方面有了不少進(jìn)展。2024年，蓋亞望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了目前為止銀河系最大的恒星級(jí)黑洞GaiaBH3(33倍太陽質(zhì)量)；我國天文學(xué)家利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了置信度最高的位于質(zhì)量間隙的小黑洞G3425(3.6倍太陽質(zhì)量)，說明小質(zhì)量黑洞可以存在，填補(bǔ)了黑洞質(zhì)量分布的缺失環(huán)節(jié)。
中等質(zhì)量黑洞在哪里？
中等質(zhì)量黑洞的起源，說法紛紜。
它可能來自很多恒星級(jí)黑洞的并合，通過小“種子黑洞”的“聚沙成塔”實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的增加；也可能來自宇宙早期第一代恒星的坍縮，或者大質(zhì)量氣體云跳過恒星階段的直接坍縮。
因?yàn)闆]有確切存在的證據(jù)，中等質(zhì)量黑洞常被稱為“缺失的一環(huán)”。天文學(xué)家曾經(jīng)通過測量球狀星團(tuán)各個(gè)半徑處的視向速度彌散曲線，結(jié)合數(shù)值模擬來判斷中等質(zhì)量黑洞的存在。但這種方法，無法排除星團(tuán)中心是一群恒星級(jí)黑洞和中子星的可能。
2025年，我國天文學(xué)家通過軌道回溯，發(fā)現(xiàn)一顆超高速星是從星團(tuán)M15中被甩出去的，這只能來自中等質(zhì)量黑洞撕開密近雙星的引力彈弓效應(yīng)，這打通了中等質(zhì)量黑洞存在證據(jù)鏈的最后一環(huán)。此外，2018年，天文學(xué)家利用黑洞潮汐瓦解恒星的方法，在一個(gè)球狀星團(tuán)中證認(rèn)了一例中等質(zhì)量黑洞，這也是目前搜尋沉寂黑洞的新興方法。
引力波也在發(fā)現(xiàn)中等質(zhì)量黑洞方面作出了重要貢獻(xiàn)。2019年，激光干涉引力波天文臺(tái)和室女座引力波天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)了一例85倍和66倍太陽質(zhì)量黑洞的并合事件，并合后的黑洞質(zhì)量是142倍中等質(zhì)量黑洞，是目前發(fā)現(xiàn)的最小中等質(zhì)量黑洞。
如何從“種子黑洞”長成超大質(zhì)量黑洞？
當(dāng)宇宙還很年輕時(shí)，超大質(zhì)量黑洞就已經(jīng)存在了。
超大質(zhì)量黑洞可能以中等質(zhì)量黑洞為“種子黑洞”，通過不斷并合或吸積周圍的氣體，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的多量級(jí)提升。對(duì)于那些非?；钴S的、正在瘋狂“暴飲暴食”的超大質(zhì)量黑洞，人們常稱其為活動(dòng)星系核或類星體。
超大質(zhì)量黑洞的形成需要黑洞經(jīng)過數(shù)億年到數(shù)十億年的持續(xù)吸積。但近些年來，人們不斷地在宇宙早期發(fā)現(xiàn)新的黑洞。2015年，我國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了中心黑洞質(zhì)量約為120億倍太陽質(zhì)量的超亮類星體，是當(dāng)時(shí)人類發(fā)現(xiàn)的遙遠(yuǎn)宇宙中發(fā)光最亮、中心黑洞質(zhì)量最大的類星體，紅移為6.3，相當(dāng)于宇宙大爆炸后8億年左右。2024年，韋布望遠(yuǎn)鏡確認(rèn)星系GN—z11中存在活躍的超大質(zhì)量黑洞，其紅移為10.6，相當(dāng)于宇宙誕生后4.3億年。在如此短的時(shí)間內(nèi)，超大黑洞是如何快速“吃胖”的？這是目前天文學(xué)的重大未解之謎。
超大質(zhì)量雙黑洞，也是有趣的天文現(xiàn)象。在宇宙的演化過程中，存在大量的星系并合事件，我們可以想象，很多并合后的星系中會(huì)存在兩顆超大質(zhì)量黑洞，它們?cè)诜浅＝木嚯x上互相繞轉(zhuǎn)。它們?cè)谛M(jìn)并合過程中會(huì)輻射納—微赫茲引力波，而發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波是國際物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域競賽的焦點(diǎn)之一。2023年，我國天文學(xué)家利用天眼望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了具有納赫茲引力波特征的信號(hào)，表明我國納赫茲引力波研究與國際同步，達(dá)到領(lǐng)先水平。
(作者單位：中國科學(xué)院國家天文臺(tái))
《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2025年04月12日 06 版)
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