來源：新浪科技
來源：livescience
作者： 保羅·薩特 （天體物理學家）
編譯：任天
一股股氣體墜入黑洞，永遠與宇宙其他部分隔離。在這些氣體碎屑的最後時刻，它們發出最後一束光，而這是宇宙中最明亮的輻射之一。
對人類來說，這些氣體的「死亡墜落」距離太遠，無法直接觀測。但是，天文學家設計了一種新技術，可以探測到它們最後的輻射痕跡，得以了解宇宙中最極端的引力環境。
在這項新研究中，物理學家通過觀察特定的輻射特徵，計算出了避免落入黑洞的最近距離。這個閾值被稱為「最內層穩定圓形軌道」（innermost stable circular orbit，簡稱ISCO）。利用這種方法，未來更靈敏的X射線望遠鏡或許能真正揭開這一軌道的神秘面紗。
事件視界
黑洞無疑是宇宙中最神秘的天體，他們隱匿在黑暗中，吞噬著一切進入的光線。無論體型大小，所有黑洞都有著共同的特徵，這就是事件視界。越過這條線，你就再也回不來了。任何東西一旦穿過事件視界，即使是光本身，也不能再回到宇宙之中。這個區域內的黑洞引力太強大了。然而，在該區域以外，一切如常。
黑洞都具有一定的質量，有的只有數倍太陽質量，分布在較小的星系中；有的是太陽質量的數十億倍，堪稱宇宙中真正的「怪物」。環繞黑洞運轉就像繞其他大質量天體一樣。引力就是引力，軌道就是軌道。超大質量黑洞因為其強大的引力可以吸積運動到其附近的物質，如氣體、恆星等。被吸積的物質通常擁有角動量，會環繞黑洞形成旋轉的吸積盤或比較厚的吸積流，其中一部分物質最終會進入黑洞。因為黑洞的緻密性與強引力，黑洞吸積過程會釋放大量的引力能，轉化為被吸積物質的動能，其中一部分動能會因為氣體間的「摩擦」或磁場的作用耗散為氣體內能。黑洞吸積過程可能是已知宇宙中能量轉化效率最高的物理過程，其能量轉化率是熱核聚變能量轉化率的數十倍。
因此，宇宙中的很多物質都圍繞黑洞旋轉。一旦這些「莽撞的冒險者」被黑洞的引力包圍，它們就開始了向生命終點進發的旅程。當物質落入黑洞時，往往會被擠壓成一個圓盤，稱為「吸積盤」。這個圓盤不停地旋轉，伴隨著熱量、摩擦、磁能和電能的釋放，使其中的物質發出明亮的光。
以質量最大的黑洞為例，它們周圍的吸積盤發出光如此強烈，以至於它們有了一個新名字：活動星系核（active galactic nuclei，AGN），其亮度能夠超過數百萬個單獨的星系。在吸積盤中，物質塊之間會相互摩擦，吸走各自的轉動能，並將它們不斷推向黑洞張開的事件視界。但是，如果沒有這些摩擦力，物質就可以永遠圍繞黑洞旋轉，就像幾十億年來行星繞著太陽旋轉一樣。
距離地球最近的黑洞
歐洲南方天文臺（ESO）的天文學家取得了一項引人矚目的發現——他們找到了迄今為止距離地球最近的黑洞。如果結論成立，南半球的人們甚至可以不藉助觀測設備，肉眼看見這顆黑洞所處的恆星系統。
這個神秘黑洞位於距離地球1000光年的金牛星座南部，該黑洞無法被觀測到，它具有強大的引力，以至於沒有任何物體，甚至是光，可以逃脫黑洞引力束縛。天文學家最初認為是一個雙星系統或者兩顆恆星環繞一個質量中心天體，當他們使用MPG/ESO2.2直徑陸基望遠鏡進行深入觀測，將該雙星系統命名為HR 6819，同時令他們驚奇的是，他們還觀測到第三個天體——黑洞。
雖然天文學家無法直接觀測該黑洞，但他們能夠依據黑洞與兩顆伴星的引力相互作用來推斷其存在。通過幾個月的觀測，他們能夠繪製出恆星運行軌道，並推斷出另一個巨大、看不見的天體在該雙星系統中起到重要作用。
觀測結果還顯示，該雙星系統中一顆每40天圍繞這個無形天體一圈，而另一顆則在距離無形天體更遠的區域獨立存在。他們計算出該無形天體是一個恆星質量等級的黑洞，由一顆垂死恆星坍縮形成的黑洞，大約是太陽質量的4倍。
除HR 6819黑洞之外，距離地球最近的黑洞位於3000光年之遙的麒麟星座，但科學家分析仍可能存在距離更近的潛在黑洞，可能僅在銀河系存在數百萬個黑洞。
所以在我們附近，可能隱藏有更多黑洞。
氣體的消失
然而，隨著越來越靠近黑洞中心，你會到達一個點，在那裡所有維持穩定的希望都將在引力的作用下破滅。此時你還在黑洞之外，尚未到達事件視界，但引力已經變得非常極端，以至於不可能有穩定的軌道。
去年發表的人類首張黑洞照片，讓我們在黑洞邊緣這樣引力極強的環境下驗證廣義相對論。EHT此次公布的發現，來自梅西耶87（M87）黑洞。黑洞會在周圍吸積氣體的輻射構成的「背景牆」上投下一個剪影。之所以會形成這樣一個「陰影」，是因為黑洞會把從它背後發出並射向觀測者的光線全部吞噬。與此同時，從黑洞背後發出又剛好擦過視界的其他光線，會使「陰影」周圍增亮而形成一片明亮區域。強大的引力透鏡效應會彎折光線，就連處在黑洞正後方的物質發出的光線，都能被彎折到黑暗區域的周圍貢獻一部分「光亮」。
一旦到達這一區域，你就不可能停留在平靜的軌道上，而是只有兩個選擇：你可以藉助火箭或其他能源將自己推到安全的地方；而如果你是一團倒黴的氣體，那就只能自由落體，落入無盡的黑暗之中。
當然，愛因斯坦的廣義相對論也預言了最內層穩定圓形軌道的存在，不過，儘管廣義相對論在預測和解釋宇宙現象方面取得了成功，我們也確信黑洞是真實存在的，但科學家還從未證實最內層穩定圓形軌道的存在，以及它是否符合廣義相對論的預言。如今，天文學家從落入黑洞的氣體中找到了一種可能驗證該軌道存在的方法。
舞動的光線
一個天文學家團隊描述了如何利用即將消失的光線來研究最內層穩定圓形軌道。他們的方法依賴於一種名為反響映射（reverberation mapping）的天文學技巧，利用了黑洞周圍不同區域以不同方式發射光線這一特性。
當氣體從吸積盤流出，經過最內層穩定圓形軌道（吸積盤最裡面的部分），進入黑洞本身時，會變得非常熱，並發出大量高能X射線。X射線從黑洞向四面八方發射。我們可以從地球上觀測到這些輻射，但是吸積盤結構的細節在X射線的光芒中消失了（對吸積盤的更多了解也將有助於天體物理學家了解最內層穩定圓形軌道）。
同樣的，這些X射線也能很好地照亮吸積盤以外主要由冷氣體團組成的區域。冷氣體被X射線激發，也開始發光，這一過程稱為螢光。我們同樣可以探測到這種輻射，並將其與黑洞最近區域發出的X射線區分開。
光從最內層穩定圓形軌道和吸積盤外部傳播到冷氣體團需要一定時間；如果我們仔細觀察，首先可以看到中心區域（最內層穩定圓形軌道和吸積盤最裡面的部分）的閃光，不久之後，最內層穩定圓形軌道外側和吸積盤周圍就會立即出現明亮的「反響」。
這些反射光的出現時間和細節都取決於吸積盤的結構，天文學家以前曾用反響映射來估計活動星系中心超大質量黑洞的質量。在這項最新研究中，研究人員使用複雜的計算機模擬來觀察最內層穩定圓形軌道內部氣體的運動，即氣體在最終落入黑洞事件視界時如何消失，以及這反過來又如何影響附近和外部氣體中發射的X射線。
儘管目前的望遠鏡還沒有足夠的靈敏度對這些氣體進行測量，但下一代X射線望遠鏡應該能夠確認最內層穩定圓形軌道的存在，並驗證它是否符合廣義相對論的預言。
黑洞將會通向何處？
如果能夠穿越黑洞，你會去往哪裡？會有什麼等待著你？如果你能安然無恙地回來，又能講述什麼有趣的故事呢？
所有這些問題都可以用一句簡單的話來回答，那就是「誰知道呢？」在科學技術日新月異的今天，黑洞的奧秘依然深不可測。落入事件視界之後，實際上就是越過了一層屏障。一旦有人掉下去，就再也不能把信息傳回來了，他們會被巨大的引力撕成碎片。所以理論上，任何穿過事件視界的人不會去往任何地方。
這聽起來似乎是一個令人失望和痛苦的答案，但其實也在意料之中。愛因斯坦的廣義相對論將時空與引力作用聯繫起來，預言了黑洞的存在，後來的研究表明，黑洞是由質量足夠大的恆星死亡所產生的。恆星死亡之後，會留下一個小而緻密的殘餘核心，假設這個核心的質量約為太陽的三倍以上，那麼引力就會使其坍縮，成為一個點，稱為「奇點」（又稱引力奇點或時空奇點），這是一個體積無限小、密度無限大、引力無限大、時空曲率無限大的點，被認為是黑洞的中心。
由此產生的黑洞具有極其強大的引力，甚至連光線都無法逃脫。因此，如果你發現自己處於事件視界時，你就註定無處可逃。德國天文學家卡爾史瓦西（Karl Schwarzschild）計算得出，如果某天體的全部質量壓縮到很小的「引力半徑」之內，那麼其所有物質、能量（包括光線）都將被引力囚禁在內。從外界看，這一天體就是絕對黑暗的存在，也就是黑洞。事件視界就是黑洞周圍的時空曲隔界線，光和物質只能向內通過事件視界。根據梅西的說法，潮汐力會把你的身體縮成原子鏈的形式（也被稱為「義大利麵化」），並最終會在奇點處被壓碎。你或許會想在黑洞的另一端逃出來，但這似乎完全是幻想。（任天）