精选31. 黑洞的性质是什么？
What is the nature of black holes?
通过不断地天文观测，人类逐渐确定了我们所生存的地球在宇宙中的大致位置和运行规律，认识到地球是太阳系的一个行星，它绕着太阳旋转，旋转一周需要1年的时间；而太阳系又是银河系的一个普通星系，它和其他几千亿个星系一同围绕着银河系中心旋转，旋转一周需要大约需要2.2亿年的时间。
图1 太阳系的运行结构（来自网络侵删）
为什么我们生存的世界具有这样的结构和运行规律，牛顿给出了一个答案，那就是万有引力。太阳系中质量最大的星体是太阳，所以在万有引力作用下，太阳系的行星都绕太阳旋转。根据万有引力规律，人类可以非常精确地计算出太阳系行星的轨道，所以太阳系的结构和运行来自于物质体质量之间本身就存在的万有引力。天体自身万有引力的大小与天体的质量成正比，引力大小的比例系数被称为万有引力常数。
图2银河系的运行结构（图片来自网络侵删）
对于地球上的物质，人类对其进行了更加微观细致的研究，人们发现所有的物质都是由很小的原子组成。然而原子的质量99.95%以上的质量都集中于原子中心的原子核上，如果把一个原子放大到足球场那么大，那原子核的大小就如同足球场中的一个黄豆大小。由此可见，地球上的物质虽然千差万别，但其在质量结构上大部分都是空洞的，只有在很小的区域内物质才是致密的。
图4 原子的结构图像（来自网络侵删）
回到宏观大尺度的天体上来，人类就不难想象，会不会存在这样的天体，它是由致密的原子核那样的物质组成的，其体积非常小，但质量却非常巨大，这个质量大到其万有引力让光都无法从这样的天体表面逃逸出去。这个想法开始是在18世纪英国自然哲学家米歇尔和法国著名科学家拉普拉斯头脑中被想象出来的，他们把它称为暗星，后来成为黑洞概念的原型。
图5 黑洞的想象图（来自网络侵删）
1916年爱因斯坦最早预言了黑洞这种天体的存在，1967年，美国天文学家约翰·惠勒正式在学术界使用“黑洞”一词。之后人们便开始在理论上对黑洞的性质进行了一系列仔细的研究。1971年以后，斯提芬·霍金（Stephen Hawking）因为对黑洞热力学性质的一系列重要理论研究工作逐渐在科学界成名，其将黑洞的概念通过其科普著作和传奇的人生逐渐推向了普通大众，甚至有些人直接将黑洞视界的概念完全归于霍金的名下，在很多中国大众眼里如果早点发现黑洞真实存在的确切证据，霍金必然会获得诺贝尔物理学奖。然而事实上霍金真正最可能获得诺贝尔奖的工作是其黑洞视界面积不减的定理。然而可惜的是通过黑洞合并事件所能给出的确切证据并没有能在霍金去世前给出确切结论。2020年诺贝尔物理学奖被一分为二，一半授予罗杰·彭罗斯，因为他发现黑洞的形成是广义相对论的直接结果；另一半授予莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹，因为他们在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体。
图6 2020年诺贝尔物理学奖（来自网络侵删）
所以在2019年以前，所有关于黑洞存在的证据都是间接的结果，比如1964年对天鹅座X-1星X射线的研究工作推测其伴星是黑洞的研究工作，甚至在2015年探测到两个黑洞合并时的引力波工作（该工作获得了2016年诺贝尔物理学奖）等等，都不能严格成为黑洞存在的直接可视证据。
图7 黑洞合并产生引力波的示意图（来自网络侵删）
直到2019年4月，中国作为重要参与国的“事件视界望远镜(EHT)”联合项目发布了有史以来第一张M87星系的黑洞照片，该黑洞位于室女座的一个椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。照片主要采用频率为230 GHz，波长1.3毫米的电磁波通过世界各地的联合射电望远镜（联合望远镜相当于一个比地球尺寸还大的虚拟望远镜）成像，被认为是黑洞确切存在的第一个直接的视觉证据。
2021年5月，天文学家们又展示了M87中心巨大黑洞在偏振光下的结构信息，由于偏振极化电磁波可以给出黑洞磁场的分布特征，这幅图像清楚地表明，M87黑洞环具有明显的磁化结构特征。2022年，EHT合作又发布了银河系中心超大质量黑洞的图像，第一次揭示了太阳系所环绕的银河系中心黑洞的环状结构。
图7 M87星系的黑洞照片（来自网络侵删）
图8 M87星系黑洞的偏振成像照片（来自网络侵删）
图9 银河系中心黑洞的照片（图片来自网络侵删）
虽然人类对黑洞的研究到今天已经十分深入，从质量密度很大的暗星体，到相对论性时空中连光都逃逸不出区域的经典黑洞概念，到孤立黑洞奇特的热力学性质以及其所表现出的量子效应，以至2019年得到黑洞环状结构的直观照片，但我们依然无法从物理上确切回答什么是黑洞的本质这样的问题？黑洞到底是如何形成的？这些大于4倍太阳质量的黑洞到底由什么成分的物质组成？黑洞作为一种奇怪的极端天体，它是否真的像我们估算的那样银河系至少分布着1亿个黑洞？为什么它们的质量会如此千差万别？黑洞的能量到底是以什么形式存在的？又是什么驱动了某些黑洞实现这种克服超强引力的向外辐射和喷发？
图10 逃逸黑洞超强引力的喷发和辐射（来自网络侵删）
