2020年的十大发现加深我们对黑洞的认识

　　2020年的十大发现加深我们对黑洞的认识

　　据新浪科技（匀琳）：国外媒体报道，物理学家如今正处于了解黑洞的黄金时代。自2015年以来，研究人员已经能够使用激光干涉引力波天文台（LIGO）获得黑洞并合产生的信号，而诸如事件视界望远镜（EHT）等望远镜曾拍摄到黑洞阴影的第一张照片。2020年也不例外：一系列令人兴奋且独特的发现加深了我们对黑洞的认识。

　　2020年诺贝尔物理学奖表彰黑洞发现

　　仿佛是为了证明今年是黑洞研究成果卓着的一年，科学领域的最高成就奖——诺贝尔奖，在今年10月份颁给了三名研究这些神秘宇宙天体的物理学家。他们分别是英国牛津大学的罗杰·彭罗斯——因“发现广义相对论预测了黑洞的形成”而获得一半的诺贝尔物理学奖，以及UCLA的安德里亚·盖兹和德国波恩大学与马克斯·普朗克宇宙物理研究所的莱因哈德·根泽尔——因“发现银河系中心的超大致密物体”而共同分享另一半的诺贝尔物理学奖。盖兹是迄今为止，第四位获得诺贝尔物理学奖的女性。其他三位获得该奖项的女性分别为居里夫人（1903年）、玛丽亚·格佩特-梅耶（1963年）和唐娜·斯特里克兰（2018年）。

　　LIGO观测到迄今为止最大的黑洞并合

　　LIGO和欧洲的另一座引力波天文台Virgo可通过引力波观测黑洞。引力波即大质量物体振动时在时空结构中引起的巨大涟漪。LIGO-Virgo引力波天文台已经贡献了许多令人印象深刻的发现。但是，在今年5月份，LIGO-Virgo合作团队宣布，发现迄今为止观测到的最大质量黑洞碰撞。这两个黑洞的质量分别为85倍太阳质量和66倍太阳质量，碰撞并合为一个142倍太阳质量的黑洞。除了打破原有记录之外，这项发现也是处于所谓的中等质量黑洞“禁区”范围内的第一个发现。虽然天文学家已经观测到与太阳大小差不多的小质量黑洞，也知道各个星系中心存在着几百万倍太阳质量的超大黑洞，但在此之前尚未有人发现这一中等质量黑洞的存在证据。中等质量黑洞的确切形成仍有待科学家进一步探索。

　　太初黑洞

　　宇宙大爆炸之后的极短时间内，整个宇宙弥漫着炽热湍急的辐射。在某些区域，能量十分致密，以至于在理论上，这部分能量本身会坍缩并形成一个黑洞。虽然物理学家尚不清楚这些太初黑洞（PBH）是否存在，但他们已经在设想太初黑洞若存在的话，会带来哪些变化。数篇论文已经表明，有些比垂死恒星形成的黑洞更小的黑洞或可构成暗物质——一种在宇宙中产生引力影响的神秘物质。未来，科学家将开展更多实验，来寻找太初黑洞，以证明或反驳这些太初黑洞的存在。

　　可能存在极大质量黑洞

　　如果把星系中心的超大质量黑洞合并到一起然后分成11个黑洞，结果会怎样呢？9月份发表的一份论文正讨论了这种“极大质量黑洞”（SLAB）的存在可能性。极大质量黑洞的质量至少可以达到1万亿或更多个太阳的质量。目前已知最大的黑洞是类星体TON 618，质量约为660亿倍太阳质量。极大质量黑洞的质量将比TON 618的十倍还多。部分极大质量黑洞可能形成于宇宙早期，是为另一种类型的太初黑洞。这意味着，我们或许可以通过宇宙微波背景辐射寻找它们的蛛丝马迹。宇宙微波背景辐射即38万年前的宇宙所留下的光辐射。另外，如果地球和遥远的恒星之间存在极大质量黑洞的话，我们也可以通过引力透镜效应找到它们。目前，极大质量黑洞虽然仅存在于假设层面，但已经吸引越来越多的关注。

　　LIGO发现不对称黑洞并合

　　LIGO-Virgo引力波天文台检测到的大多数双黑洞系统，都由两个质量相当的黑洞组成。但是在今年4月份，该合作团队宣布他们观测到了最不对称的黑洞并合。这两个黑洞在24亿光年外环绕并合，质量分别为8倍太阳质量和30倍太阳质量。西北大学引力波科学家克里斯托弗·贝里写道：“这就好比将一块普通的奥利奥饼干融进一块超级版奥利奥饼干。”之前，天文学家认为这样的意外事件非常罕见，才运行没几年的引力波设备未必能观测到这些现象。但LIGO-Virgo合作团队的发现对上述假设提出了质疑，并促使研究人员开始考虑层级并合的可能性。这类并合中，一个黑洞与另一个碰撞，接着碰撞后的残余物继续与第三个黑洞并合。

　　望远镜观测到黑洞将恒星“意大利面条化”

　　当一个超大质量天体落入黑洞的特定距离范围内时，其中的极端引力可以将天体拉成细条状，这个过程被形象地描述为“意大利面条化”。由于大多数黑洞都隐藏在一层模糊不清的气体和尘埃背后，意大利面条化的现象极少被观测到。但是在今年10月份，欧洲南方天文台的天文学家使用甚大望远镜（VLT）和新技术望远镜（NTT）成功地捕捉到一颗恒星被“意大利面条化”的过程，细节清晰之程度前所未有。这一事件标记为“AT 2019qiz”，将有助于研究人员更好地去了解极端环境下的引力。

　　距离最近的黑洞

　　谁都不希望太靠近一个黑洞（结局请参考“意大利面条化”）。幸运的是，5月份观测到的宇宙吃豆人和另外两颗绕其运行的伴星互相之间正保持着安全的天文距离。这个由一个黑洞和两颗恒星组成的三合星系统被称为“HR 6819”，位于南天星座望远镜座，距离地球约1000光年。之前距离最近的黑洞，与地球的距离大约有3000多光年，是新纪录的三倍多。天文学家并未直接观测到该黑洞本身，而是根据HR 6819系统中另外两颗恒星轨迹在引力影响下出现的摆动，推测出这个黑洞的存在。南半球的天文爱好者可以在晴朗的夜晚用肉眼观测到HR 6819系统中的两颗恒星。它们位于望远镜座的西南角，靠近该星座与孔雀座和天坛座的交界处。

　　黑洞可能是一个模糊球

　　若要形成黑洞，物质和能量必须先坍缩成一个密度无限大的微点。由于这样的无穷大在物理上几乎不可能，理论学家一直在尝试想办法解决这个离奇的结果。因此，他们提出一个弦理论，试图用亚原子和振动弦来替代所有粒子和力量。根据这个弦理论，黑洞可能是某种更为奇特的东西——由基本弦构成的一个纱线状的模糊球。今年10月份，一项研究表明，如果中子星（一种密度不足以形成黑洞的恒星残骸）中的原子实际上是一串弦的话，那么将这些弦压缩在一起就可以形成一个模糊球，就是前述提到的基本纱线状模糊球，而非黑洞。这个新奇的想法尚不完善，但或许是一个解决无穷大问题的潜在途径。

　　宇宙中可能潜伏着危险的“赤裸”黑洞

　　物理学家认为，每一个黑洞应该都隐藏在所谓的“事件视界”背后。一旦落入事件视界这个边界，谁都不可能逃出来。但是，自黑洞这个概念首次提出来之后，研究人员就一直在思考，事件视界是否绝对必要。有没有可能存在一个没有事件视界的黑洞，即“赤裸的”黑洞？如果存在，赤裸的黑洞将十分危险。因为已知的物理定律在黑洞的事件视界范围内完全不适用，而赤裸的黑洞则连这最后一层的保护屏障都没有。尽管大多数理论学家认为黑洞不可能赤裸存在，但11月份发表的一篇论文提出，可能有一种办法可以证实这个猜想。技巧在于寻找吸积盘上的差异。吸积盘上的差异可以区分赤裸黑洞和正常黑洞。

　　黑洞宝库

　　对于研究黑洞的科学家们而言，今年的圣诞惊喜来得特别早。10月份，LIGO-Virgo引力波天文台合作团队发布了一个全新的目录，包含2019年4月到9月之间观测到的数十种引力波信号。这39个事件包含许多有趣的发现，比如两个超大质量黑洞并合成一个142倍太阳质量的黑洞、一个八倍太阳质量黑洞和一个三十倍太阳质量黑洞并合带来罕见的极不对称并合事件，以及看起来既像小质量黑洞又像大型中子星的神秘天体。研究人员对这些数据感到非常惊喜。这些数据表明，该联合设备平均每五天可以捕获一个新信号。研究人员计划使用这些数据来更好地了解黑洞并合的行为和频率。