本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文
作者：文/虞子期
黑洞，作為任何事物都難以從其事件視界中逃脫的天體，擁有無法比擬的巨大引力，以至於該空間中的時光曲率甚至大於光速。儘管科學家們至今也無法實現對黑洞進行直接觀測，但這並妨礙它成為我們最感興趣的宇宙存在體之一。通過觀察其吸積盤周圍所散發出的熱量和輻射發現，在絕大多數星系的中心，都隱藏著一個我們看不到的超大質量黑洞，並且，它們本身的質量也存在著較大的差距。比如，科學家們通過星系GSN 069中心的強大X射線爆發，意外發現了其中超大質量黑洞吞噬物質的特殊規律。那麼，在黑洞的事件視界裡到底發生了什麼，黑洞的生長與星系的演化又有哪些密不可分的聯繫？
具有特殊吞噬規律的超大質量黑洞
在星系GSN 069的中心，科學家們發現了一個定期消耗大量材料的超大質量黑洞，其吞噬物質的時間周期大約每次間隔9個小時。在此之前，研究人員僅在兩個「恆星質量黑洞」中觀察到過這一現象，而這個與地球相距2.5億光年的黑洞，其質量達到了太陽質量的40萬倍左右。簡而言之，該黑洞每天所吞噬的物質相當於12顆衛星，而每一次的材料消耗都達到了大約100億（億磅）。科學家們將這樣的現象稱為X射線準周期性噴發，並對其具有特殊周期性爆發的事件，進行了長達54天以上的追蹤，提供了超大質量黑洞中流入物質後反覆減速和加速的觀察機會。在黑洞的爆發期間和安靜期間，X射線的亮度差異達到了20倍左右，而氣體溫度也從安靜時期的大約100萬華氏度上升到了爆發時的250萬華氏度左右。
科學家們認為，之所以黑洞能夠發出如此強烈的X射線，是因為其已完全撕裂、又或是正在逐步消耗材料。儘管，黑洞在消耗了物質之後產生了氣體並不是什麼新的發現，但是，或許你有所不知，由於很難將這些熱氣體與黑洞周圍的物質盤關聯起來。因而，它們的起源本身就是一個困擾已久的謎團，只有通過研究這樣的超大質量黑洞，才能得以獲取這些反覆消失和形成的熱氣體的重要線索。而星系GSN 069中黑洞所呈現出的異常規律性，很可能意味其中的循壞在重複，當盤中的能量積累到使它變得不再穩定，物質便開始迅速落入該黑洞中產生爆發，而這一切，都與黑洞的事件視界密切相關。
在黑洞事件視界裡到底發生了什麼
事實上，黑洞的事件視界，指的是某個物體需要超過怎樣的速度，才能逃脫來自黑洞的巨大引力，以避免自身被撕裂的命運。就其本質而言，它與物體的逃逸速度直接相關，它就像是黑洞周圍的一個「閾值」，且逃逸速度必須超過光速。當物體和黑洞之間的距離越來越近，那麼，想要不被這股巨大引力牽扯、所需要的速度值也隨之變得更大。然而，從狹義相對論來看，並沒有什麼物體可以在穿越太空的時候，達到比光速更快的速度。也就是說，任何事物都難以從黑洞的事件視界返回，這同時也意味著，我們無法目睹在此邊界中發生的一切。其實，一個黑洞能產生的引力強度，會由其本身的質量，以及它與物質之間的距離一起決定，當質量大致相當的時候，拖船越強大、便意味著距離越靠近。
而黑洞的事件視界大小，則完全取決於該黑洞本身的質量，我們可以通過一組數字來具體感知。比如，當一顆地球般大小的星球被壓縮為黑洞，那麼，它將成為一個比硬幣略小、直徑大約只有17.4毫米的黑洞；而當太陽一般大小的恆星也被壓縮為黑洞，那麼，它就像一個村莊一樣、可以成為一個直徑5.84公裡左右的黑洞。當然了，科學家們平時所觀察到的黑洞都遠比這兩個大得多，比如，位於我們銀河系中心的超大質量黑洞射手座A *，其直徑便達到了1270萬公裡左右，且它的質量更是太陽質量的大約430萬倍。
科學家們在對黑洞進行長時間研究之後，假設條件從無旋轉行為演變為通常都會旋轉，而關於黑洞的奇點的定義，也隨之從最基本模型中的一個具體的點，轉變為目前模型中無限細的環。因而，旋轉黑洞中的事件視界也應該是橢圓形，其周圍的時空因為拖拽效應而隨之旋轉，並且，其事件視界也被分為了內部事件視界和外部事件視界兩個部分。就物質到能量的轉化這個角度而言，黑洞的旋轉特性可以使其對落入其中的物質進行更有效的轉化，而它可以通過轉化得到的能量，足以達到物質本身質量的42%。眾所周知，幾乎所有大型星系的中心，都存在著超大質量黑洞，它們的能量可以對該星系的演化帶來重大影響，因此，了解黑洞周圍的環境，以及它的生長與星系演化之間的關係，對於解答宇宙中的眾多疑惑而言都是至關重要的。
黑洞的生長和星系的演化密切相關
為了對黑洞增長與星系質量之間的關聯有準確認知，科學家們使用了GOODS（大天文臺起源深度測量）超過30000個星系的數據，並結合了通過COSMOS（宇宙演化調查）獲取到的500000多個星系世界。從這些和地球相距43到122億光年遠的星系來看，那些更大的星系能夠相對更有效的滋養黑洞的生長，因而，那些較大的星系也會產生質量更大的黑洞。與此同時，科學家們再次將目標範圍縮小到與地球相距不超過35億光年的星系，並通過對這72個明亮星系團的研究發現，這些黑洞的實際大小比通過傳統方式所預測的要大十倍左右。簡而言之，星系和其中的黑洞的成長，並不會永遠都是一個看上去很匹配的集合。
在對黑洞和星系進行的相關研究中，科學家們都將兩者之間的關係作為重要的一個內容部分，而其中的原因主要有兩點。其一：星系的形成規律，可以通過黑洞和星系之間的任何恆定關係得到更好的解釋；其二：科學家們可以根據其中一個的大小，計算得出另一個的質量，比如，確定該星系中超大質量黑洞的質量。雖然，較星系的整體大小而言，黑洞會顯得相對更加渺小，但黑洞的生長卻與星系的大小密切相關，黑洞的生長會因為星系的質量越大而速度越快，而那些最大的黑洞的生長速度，甚至會超過其星系本身。比如，在X射線光下的Hercules A星系中心，該星系中的黑洞在吞噬物質時產生了巨大的紫色雲，而這個超大質量黑洞的大小，甚至達到了銀河系中心的黑洞質量的1000倍左右。
關於黑洞的早期理論和現代觀念
早在1783年的時候，業餘天文愛好者牧師約翰·米歇爾就意識到，對於那些足夠大、且緊湊的物體而言，逃逸速度將遠不止於光速。於是，他基於艾薩克·牛頓定律的重力，提出了「黑暗的恆星」這個想法，這是一顆會具有特殊發光方式的恆星，光線也會因為被拉向恆星而無法逃脫。然而，被普遍認為首次提出暗星想法的人，他是皮埃爾·西蒙·拉普拉斯，他在幾年之後也獨立得出了相同的結論。而黑洞的現代觀念，則利用了愛因斯坦的廣義相對論，由德國天文學家卡爾施瓦茲希爾德所開發，即：當物質被壓縮到某一點、並被球形區域包圍的時候，包括光在內的任何物質都不再具有逃脫的能力，而這一的限制區域被稱為黑洞的事件視界。
黑洞具有電荷、旋轉和質量這三個參數表徵，也可根據質量將其分為原始黑洞、恆星質量黑洞、中間質量黑洞，以及超大質量黑洞四種主要類型。而從黑洞的旋轉和電荷這兩個屬性的角度來看，黑洞又可以被分為靜態黑洞（無電荷且不旋轉）、克爾黑洞（沒有電荷的旋轉黑洞），以及帶電黑洞（旋轉和無旋轉的帶電荷的黑洞）三種。簡單的從理論模型來看，似乎黑洞可以自形成以後永遠持續生長，但黑洞也會有自己的壽命，它們最終都會因為霍金輻射而蒸發，而其中質量相對更小的黑洞會具有更快的蒸發速度。由於輻射也不能逃脫黑洞的極端引力，因此我們很難獲取黑洞的觀察證據，只能從高能現象、以及附近物體的運動中獲取推斷信息。