筆者 東邪
如果說哪一種天體是宇宙中最特殊、最神秘的天體，很多人的答案應該是黑洞。雖然這種天體的名字我們在新聞媒體、社交平臺上聽過不少次，但它對于人類來說還是保持著相當高的神秘感，因為目前人類能夠探測到黑洞存在的方法很有限，對黑洞的探測和研究很大程度上都是基于科學理論，因此未來人類在探索黑洞方面還有很長的路要走。
盡管人類掌握黑洞的信息并不多，但隨著科學家發(fā)現黑洞的一些特殊現象，逐漸掌握一些觀測黑洞的方法。比如在2017年4月的時候，一個國際科學組織首次公布了黑洞的圖片。據了解，這些圖片的主角是來自M87星云的黑洞，科學家經過兩年的數據處理才讓公眾看到黑洞的真實面貌。
實際上早在2007年的時候，有歐洲科學家在人造衛(wèi)星的幫助下探測到黑洞發(fā)出的持續(xù)性輻射。經研究該輻射持續(xù)了1小時左右，而且信號頻譜具有周期性振蕩的特點，科學家將它比喻成黑洞的“心跳”。那么黑洞的“心跳”是怎么形成的？它的發(fā)現對于研究黑洞來說有何幫助？
黑洞是如何形成的？
黑洞這個概念最早是由上世紀著名物理學家愛因斯坦、施瓦西等人聯合提出來的，但由于缺乏探測設備和技術，再加上當時天體物理理論的發(fā)展出現了瓶頸，因此黑洞一直是一種猜想。70年代之后，越來越多科學家對黑洞的研究促成了黑洞理論體系的建成，讓世人逐漸弄清楚黑洞的起源和發(fā)展脈絡。
黑洞的起源要先從恒星的起源開始講起，因為黑洞就是由恒星演化而來的。上百億年前宇宙中的原恒星星云分別形成小質量恒星和大質量恒星，前者經過演化變成紅巨星，最后的終點是白矮星。后者由于質量超級巨大，中期演化成紅超巨星，然后通過超新星爆發(fā)演化成中子星或黑洞。
簡而言之，黑洞是由大質量恒星發(fā)生坍塌后形成的。任何恒星的起始階段都只含有氫元素的粒子，然后這些粒子無時無刻不在極高溫、極高壓的環(huán)境下相互碰撞，最后產生了核聚變反應。所謂的核聚變反應，指的是兩個氫原子結合成一個氦原子的過程。不僅僅是氫原子可以參與反應，反應生成的粒子還可以繼續(xù)參與反應，因此形成了核聚變的鏈式反應。
核聚變在進行過程中會釋放出超強的能量，這些能量與恒星的萬有引力相互抗衡，以維持恒星的結構穩(wěn)定。但隨著生成的元素越來越重，核聚變釋放的能量越來越少，當核聚變進行到生成鐵元素時，恒星內部就不再具有足夠的能量來抗衡自身的萬有引力，這時候就會引發(fā)恒星坍縮。對于小質量恒星來說，坍縮的結果就是中子星。對于大質量恒星來說，坍縮的結果可能是黑洞。
黑洞的“心跳聲”是怎么發(fā)出的?
科學家第一次發(fā)現黑洞的“心跳聲”是在2007年，當時在歐洲宇航局的“XMM-牛頓”衛(wèi)星的幫助下，他們發(fā)現了一個黑洞持續(xù)一小時發(fā)出了X射線輻射。這種情況在以往的黑洞觀測中是從未出現過的，因此科學家們密切關注該信號的情況。后來通過對X射線輻射進行頻譜分析，他們發(fā)現該信號最明顯的特點就是周期震蕩。
最后因為探測路徑被太陽擋住了，信號也就中斷了。原本歐洲的科學家認為這次發(fā)現可能是史上的唯一一次，但沒想到11年后他們再次在XMM-牛頓衛(wèi)星、雨燕衛(wèi)星、核光譜望遠鏡陣列的幫助下再次發(fā)現了該黑洞的周期震蕩信號，而且信號的頻譜幅度更高了?？茖W家將黑洞的這種特殊信號比喻成它的“心跳”，那么這種“心跳”是怎么產生的呢？
對此科學家表示，他們是通過監(jiān)測黑洞的吸積盤發(fā)現了黑洞的周期性震蕩信號，因此他們推測信號的形成與吸積盤有關。在2017年首次拍攝到的黑洞照片中，人們看到的黑洞類似一個“甜甜圈”，而甜甜圈能看到的部分就是黑洞的吸積盤。由此可知，吸積盤是一種圓盤狀結構，它是外界物質被黑洞吸引后形成的。
目前科學家已經在同一個黑洞中發(fā)現了兩次周期性震蕩信號，這說明黑洞也能像其他天體一樣釋放出一些特殊信號，這些信號的本質就是宇宙輻射?？茖W家表示，通過對黑洞的“心跳”進行深入研究，有望獲得與黑洞相關的關鍵信息，例如物質尺度和結構等。
科學家如何判斷黑洞的存在？
經過數十年的研究，科學界已經總結出了幾種判斷黑洞存在與否的方法。第一種方法，觀察宇宙中的光線傳播是否會出現彎曲現象。愛因斯坦曾在廣義相對論中就預言了黑洞的一個特性，即大質量天體會產生強大的引力場，導致周圍時空發(fā)生嚴重彎曲，使得經過該區(qū)域的光線發(fā)生彎曲。黑洞就是這樣一種大質量黑洞，它的時空彎曲形成引力鏡效應，導致原本直線傳播的光線發(fā)生彎曲傳播。
第二種方法，觀測宇宙中是否有天體圍繞不可見的天體運動。一般情況下，天文學家在宇宙中都會觀測到兩顆或多顆恒星做相互圍繞的運動，這是因為它們之間的引力起到平衡作用。但也有一些恒星系統(tǒng)只存在一顆恒星，它的引力吸引行星圍繞著它運動，而它自己又圍繞著星系的中心運動，星系中心往往是一片黑暗，那里很可能就存在一個超大質量黑洞。
第三種方法，通過捕捉宇宙中的X射線，由此判斷是否存在黑洞。這一方法是基于黑洞“貪吃”的特性，恒星等物質被黑洞吞噬時，會被它巨強的引力撕扯成氣體，這些氣體在黑洞視界外圍形成吸積盤，最終逐漸被黑洞吸進去。在未被黑洞吸進去之前，氣體在吸積盤里面做高速旋轉的運動，導致氣體摩擦產生大量熱量，使吸積盤的中心區(qū)域溫度足夠高，以促使X射線的產生。
第四種方法，通過“聽”的方式來發(fā)現黑洞，最關鍵的問題是發(fā)現引力波。引力波也是上世紀愛因斯坦預言的一種宇宙現象，它指的是兩個黑洞的合并會產生類似漣漪的痕跡。之所以說引力波像漣漪，是因為它產生后就像水面的漣漪一樣向四周擴散。2015年9月14日，人類首次探測到引力波的存在，證實了愛因斯坦的猜想。
那一次通過對引力波的研究，科學家發(fā)現它是兩個遙遠黑洞合并后產生的電磁波輻射。引力波的發(fā)現幫助人類叩開了研究黑洞的另一扇大門，從那之后引力波的探測就變成了科學家研究雙黑洞的重要方式。有科學家認為，未來使用更高精度的手段去探測引力波，將有助于人類研究黑洞內部的物質分布。
太陽系周圍可能出現黑洞嗎？
黑洞是宇宙中最可怕的天體，它形成后無聲無息地將周圍的物質都吞噬掉，許多恒星都“死”得不明不白。在意識到黑洞的可怕后，科學家想知道太陽系周圍是否存在黑洞，或者說未來是否有可能會被黑洞吞噬。首先，太陽系附近出現黑洞的可能性只有一個，即大質量恒星演化到晚期后發(fā)生引力坍縮，從而形成黑洞。
根據科學家長時間的探測發(fā)現，太陽系周圍一百光年內都不存在這樣的恒星，因此我們不用過于擔心。如果真的要說宇宙中對太陽系的威脅的話，那么在距離太陽系大約640光年的獵戶座里確實有一顆正處于紅超巨星狀態(tài)的恒星，它就是“參宿四”。根據天文學家近幾年來的觀測，參宿四的體積在不斷縮小，密度在不斷增大，這是紅超巨星即將發(fā)生超新星爆發(fā)的征兆。
有科學家認為參宿四隨時都有可能爆發(fā)，而有些科學家的觀點則比較保守，認為它將是幾千年內人類所觀測到的最亮的超新星。那么參宿四經過超新星爆發(fā)后會變成黑洞嗎？科學家表示它演變成中子星或黑洞的概率相等。六百光年的距離對人類來說非常遙遠，但如果參宿四變成了黑洞后迅速擴張，這段距離對它來說并不是問題。
如果太陽系周圍出現黑洞，人類該怎么辦？
雖然現階段我們并不用擔心這個問題，但是這種充滿腦洞的問題還是值得討論一番。如果太陽系周圍出現黑洞，人類要么坐以待斃，要么全力一搏發(fā)展出能逃離太陽系的技術。不少科幻作品中都提出了逃離太陽系的方法，拋開它們的科學性不談，有些方法還是值得研究的，至少為科學家的研究提供了方向或思路。
例如《流浪星球》里的故事，人類為了逃離膨脹的太陽，給地球裝上行星發(fā)動機，推動地球遠離太陽，你認為這種場景有可能實現嗎？評論區(qū)里見！
