关于黑洞你真的了解多少？
关于黑洞你真的了解多少？
在这个浩瀚无垠的宇宙中，黑洞可以吞噬一切，连光都无法逃脱，从事件视界到奇点，每一个部分都充满了未解之谜。奇点的深处，在那里著名科学家爱因斯坦的广义相对论和其他物理规律全部失效，为什么会这样？本文就带你来探讨一下这类神秘的天体。
黑洞的种类
根据质量不同，可以将黑洞分为以下几类：
微型黑洞（Miniature Black Holes）
遇事不决，量子力学！所以也称为量子黑洞，其质量非常小，通常在普朗克质量（约为10^-5克）左右，这些黑洞被认为起源于宇宙大爆炸时期，是量子级别的黑洞，小到什么程度？连行星都无法吞噬，这证明了不是所有的黑洞都能吞噬天体。
恒星级黑洞（Stellar Black Holes）
恒星级黑洞是由大质量恒星在耗尽燃料后发生超新星爆炸并坍缩形成的。其质量通常在太阳质量的3到100倍之间。众所周知，银河系的恒星数量可达1000~4000亿颗。因此恒星级黑洞是宇宙中最常见的黑洞类型，广泛分布于银河系和其他星系中。
中等质量黑洞（Intermediate Mass Black Holes）
中等质量黑洞的质量介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间，通常在100~100,000倍太阳质量之间。即恒星级黑洞＜中等质量黑洞＜超大质量黑洞。尽管科学家们已经发现了几个中等质量黑洞的候选体，但它们的形成机制仍然不明，这可能涉及恒星级黑洞的合并或通过吞噬周围物质逐渐增长的过程。这类黑洞对星系的演化有着重要的影响。
超大质量黑洞（Supermassive Black Holes）
超大质量，顾名思义就是此黑洞的质量可以达到太阳质量的数百万到数十亿倍不等。它们通常位于星系的中心，例如银心（银河系中心）的超大质量黑洞（Sgr A*）。这类黑洞对星系的形成和演化起着重要作用，牵引着数亿颗恒星的运转，这些数亿颗恒星围绕星系中心质心做公转运动，你也可以理解为“星系的卫星”。
除了按质量分类，黑洞还可以根据其物理特性，例如按照质量和角动量进行分类。
史瓦西黑洞（Schwarzschild Black Holes）：史瓦西黑洞是最简单的黑洞类型，不带电荷且不旋转，因此也被称为“静态黑洞”或“理想状态的黑洞”。这种黑洞只由质量决定，其事件视界是一个球面。
R-N黑洞（Reissner-Nordström Black Holes）：R-N黑洞是带电荷但不旋转的黑洞，也称为“带电黑洞”。这种黑洞有两个视界，一个外视界和一个内视界。如果电荷增加，两个视界可能会合二为一，形成“极端R-N黑洞”。
克尔黑洞（Kerr Black Holes）：克尔黑洞是不带电荷但旋转的黑洞。这种黑洞的事件视界是一个扁球形，其中心不是奇点，而是一个奇环。
克尔-纽曼黑洞（Kerr-Newman Black Holes）：克尔-纽曼黑洞是既带电荷又旋转的黑洞。这种黑洞同时具有R-N黑洞和克尔黑洞的特征，其奇点也可能暴露出来形成裸奇点。
还有一类黑洞被称为类星体。
- 类星体（Quasars）：类星体（如果存在）是宇宙中最明亮的天体之一，其能量来源被认为与超大质量黑洞有关。类星体的亮度极高，甚至超过了一个星系的总亮度。
黑洞的结构
- 事件视界（Event Horizon）：事件视界是黑洞最外层的边界，也是我们能够观测到的最外层结构，它是一个不可逆的位置，一旦物质或光进入事件视界，就无法再逃脱黑洞的引力。事件视界的半径称为史瓦西半径（Schwarzschild radius）其大小取决于黑洞的质量。质量越大↑ 史瓦西半径越大↑ 事件视界也越大↑。
事件视界并非一个实体表面，而是一个数学定义的边界，在事件视界处，时间和空间的概念发生了根本性的变化。对于外部观察者来说，接近事件视界的物体似乎会逐渐减速，最终在视界处“冻结”，这是由于强引力场导致的时间膨胀效应，看过《星际穿越》的盒友都知道“天上一天，底下一年”的道理。
- 奇点（Singularity）：在黑洞的中心，存在着一个密度无限大、体积无限小的点，称为奇点。在奇点处，所有物质被压缩到极致，物理定律（如广义相对论和量子力学）在此处失效。奇点的存在对物理学提出了巨大的挑战。根据广义相对论，奇点处的时空曲率无穷大∞，这意味着在此处，物理量（如密度、温度）变得无穷大。量子力学告诉我们，没有任何物理量可以真正达到无穷大（bro以为物理学不存在了），这是否暗示着广义相对论和量子力学之间存在某种尚未被发现的统一理论？咱也不知道，咱也不敢问。
- 视界外层（Ergosphere）：在事件视界之外，存在一个称为视界外层的区域，也称为能层（ergosphere）似，这是不是和高中化学选择性必修二中的电子结构相似？（梦回高中bushi）视界外层是一个旋转的区域，其边界称为静态极限（static limit）。在视界外层中由于黑洞的旋转时空被拖拽，导致任何进入该区域的物体都必须与黑洞一起旋转。视界外层的一个重要特性是，它允许从黑洞中提取能量，这一过程称为彭罗斯过程（Penrose process），通过将物体送入视界外层并利用其旋转能量，可以从黑洞中提取能量。这可是研究黑洞能量提取和天体物理过程的重要区域。
- 吸积盘（Accretion Disk）：当物质被黑洞引力捕获并围绕黑洞旋转时，会形成一个称为吸积盘的扁平结构，吸积盘是黑洞周围最活跃的区域之一，其中的物质在旋转过程中逐渐向内螺旋，最终被黑洞吞噬。吸积盘中的物质在向内运动的过程中，由于摩擦和粘性作用，会释放出大量的能量。这些能量以电磁辐射的形式释放出来，包括但不限于X射线、紫外线和可见光。吸积盘也是黑洞观测的重要目标，通过对吸积盘辐射的观测，可以间接地研究黑洞的性质。
我在黑洞很想你（网红打卡点bushi）
黑洞的研究时间线
- 2015年9月14日：人类首次探测到引力波信号，源自一次双黑洞并合事件
- 2019年4月10日：事件视界望远镜（EHT）项目首次成功拍摄到位于M87星系中心的超大质量黑洞的影像，这是人类首次直接观测到黑洞
- 2019年5月21日：极光干涉引力波天文台（LIGO）探测到一个双黑洞并合事件，两个黑洞的质量分别为85倍和66倍太阳质量，最终形成了一个约为142倍太阳质量的新黑洞
- 同年首次发现中等质量黑洞：科学家们首次发现了一颗中等质量黑洞
- 2020年基础物理科学突破奖：EHT团队因首次拍摄到黑洞影像而获得基础物理科学突破奖
- 2023年M87黑洞影像重建：研究团队利用主成分干涉建模算法（PRIMO）发布了重建后的M87黑洞照片，吸积盘变得更加纤细，照片分辨率有了显著的提升
- 绿豌豆星系中的黑洞：中国科学院上海天文台的研究团队对绿豌豆星系中的活动星系核进行了系统性搜寻研究，发现了59个含超大质量黑洞或中等质量黑洞的候选源
- 2024年早期宇宙中的巨型黑洞：英国剑桥大学科学家领导的研究团队利用詹姆斯·韦布空间望远镜，在大爆炸发生仅8亿年后的早期宇宙中探测到一个质量高达太阳4亿倍的巨型黑洞
- “无毛”猜想与“带毛”黑洞：中国科学院的研究团队在《物理评论快报》上发表论文，这揭示了一种全新的黑洞“长毛”机制，并发现了带毛过程中的临界现象
- 2025年纳赫兹引力波探测：中国脉冲星测时阵列研究团队利用“中国天眼”FAST对57颗毫秒脉冲星持续三年多的监测数据，成功找寻到了纳赫兹引力波存在的关键证据
- 2025年黑洞“全景”照：中国科学院上海天文台的研究人员发布了基于M87黑洞照片的全景照，展示了M87黑洞的阴影、吸积盘和相对论性喷流
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