专家略谈｜黑洞到底有多“黑”？

近日，中外科学家首次揭示了黑洞附近热吸积流中形成磁囚禁盘的完整过程。这一研究成果发表在国际著名学术期刊《科学》(Science)上。那么，黑洞到底有多“黑”？这是人们想知道的问题。

       黑洞（英文black hole）是美籍德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论中，存在于宇宙空间中的一种天体。黑洞的引力极其强大，使得视界内的逃逸速度大于光速。故而，“黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体”。可以说，黑洞是由“黑暗”引申为秘密的、隐蔽的、不可思议的。
     1916年，德国天文学家卡尔•史瓦西通过计算得到了爱因斯坦场方程的一个真空解，这个解表明，如果一个静态球对称星体实际半径小于一个定值，其周围会产生奇异的现象，即存在一个界面——“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱；这个定值称作史瓦西半径。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰•惠勒于1983年命名为“黑洞”。
     黑洞无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因黑洞引力带来的加速度导致的摩擦而放出x射线和γ射线的“边缘讯息”，可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹来得出，还可以取得其位置以及质量。黑洞以超新星的形式结束自己的生命。
     与别的天体相比，黑洞十分特殊。人们无法直接观察到它，科学家也只能对它内部结构提出各种猜想。而使得黑洞把自己隐藏起来的的原因即是弯曲的时空。根据广义相对论，时空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光程传播，但相对而言它已弯曲。在经过大密度的天体时，时空会弯曲，光也就偏离了原来的方向。
     黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸，会喷射物体，发出耀眼的光芒。当英国物理学家斯蒂芬•霍金于1974年做此预言时，整个科学界为之震动。他的预言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。迄今为止人类已经发现了许多黑洞，有些质量非常大，有些却很小。
    2020年诺贝尔物理奖的一半授予德国天文学家莱因哈德·根泽尔和美国天文学家安德里亚·格兹，以奖励他们对科学的贡献。前者是因为“发现广义相对论预测了黑洞的形成”，后者则因为“发现银河系中心的超大质量黑洞”。他们用自己的智慧、坚持和不懈努力，为人们揭示了宇宙的奥秘，展示了大自然的奇妙。黑洞研究获奖，除了证实广义相对论外，还激发了人们进一步探索宇宙的奥秘。
     北京时间2019年4月10日21时，人类首张黑洞照片面世，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。北京时间2021年3月24日晚10点，偏振光下M87超大质量黑洞图像公开。北京时间2022年5月12日晚9点，事件视界望远镜（英文Event Horizon Telescope）合作组织正式发布了银河系中心黑洞人马座A*（Sgr A*）的首张照片；这是超大黑洞M87之后的又一重大突破。
    此外，在黑洞周围，存在看不见的磁场。黑洞吸积物质时，会向内拖拽磁场。理论认为，随着吸积物质将外部弱磁场持续带入，磁场及其对物质的向外磁力会逐渐增强，当磁场的向外磁力与黑洞的向内引力相当时，吸积流便会被磁场所囚禁，无法自由地掉入黑洞，形成“磁囚禁盘”。磁囚禁盘理论模型解释了黑洞吸积系统的许多复杂观测现象，它是研究黑洞的重要途径；《科学》期刊发表的成果是迄今科学界获得的磁囚禁盘存在的最直接观测证据。
   文/陆炳南（作者为北京师范大学博士后）
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