被压缩到何种尺寸，你才会变成一个黑洞?

　　“和黑洞当朋友十年多了，我从它身上学到了很多东西。我觉得黑洞真的是宇宙中最优雅、最单纯的天体。”

　　

　　第三类证据是什么呢？现在你们听到的是一种引力波的声音。通过对这种引力波信号的研究，我们知道它对应的是两个恒星级质量黑洞的碰撞和并合，就好像我们看到了两个黑洞“打架”的现场。

　　我们可以推测这两个黑洞有多大，质量比是多少。所以，引力波也间接告诉了我们恒星级质量黑洞的存在。

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　　为什么要研究黑洞？

　　不论是黑洞的首张照片，黑洞对周围气体和恒星的影响，还是黑洞发光以及引力波等，这些直接或间接的证据都告诉了我们，黑洞是存在的。

　　我们为什么要研究黑洞呢？

　　我脑海中闪过的第一个理由是好奇心，毕竟很多时候我们是因为好奇而想去做研究。但显然这个理由并不能说服大家。

　　我们所处的银河系里就有这么一个超大质量黑洞，我们为什么不去了解它呢？这个超大质量黑洞和我们人类有什么关系？它会不会影响到我们的日常生活？

　　我给大家这样分析一下，一方面，这个黑洞的质量有410万倍太阳质量那么大，它距离我们有2.6万光年。

　　距离这么远，我们受到来自于它的引力微忽其微，所以引力的影响可以忽略了。

　　在银河系中心潜藏着一颗超大质量黑洞

　　但如果我们以银河系中心为球心，以我们到银河系中心的距离为半径画一个巨大的球，大家知道这个球里存在的质量有多少吗？

　　900亿倍太阳质量。900亿和410万，差得不是一点点。

　　所以，决定太阳如何运动的不是黑洞，而是气体、恒星，还有占比最大的暗物质。这刚好验证了一句话——团结就是力量。

　　另一方面，活跃的黑洞会发光，并且发的光还很强。

　　有意思的是，银河系中间的黑洞并不活跃，它很宁静，所以它发出来的光和能量比较弱。又因为我们离它很远，所以等到来自这个黑洞的光到达地球表面的时候，强度就更弱了。

　　况且，地球自带两大保护层，一层是大气层，一层是磁场，它们保护我们免受高能粒子、高能光子的影响。

　　综合这几点，我们可以得出一个结论：银河系中心的超大质量黑洞所发出的光，对我们的影响可以忽略不计。

　　银河系中有上亿个恒星级质量黑洞

　　除了银河系中心的这个超大质量黑洞，理论上，银河系当中还应该存在上亿个恒星级质量黑洞。

　　虽然目前只探测到了20多个，但一想到还有那么多的恒星级质量黑洞，我们是不是应该关注一下呢？

　　不管是超大质量黑洞，还是恒星级质量黑洞，对于人类而言，目前已知黑洞候选体带来的引力影响都可以忽略不计。

　　但是，既然每一个大质量星系的中心都有一个超大质量黑洞，那么黑洞和它所处的星系之间有什么关系呢？

　　黑洞与星系的关系

　　请大家看看这张图。这是离我们比较近的大星系中心的一个黑洞，星系中有一个名叫核球的部分，而这张图片就反映了黑洞质量和核球质量的相关性。

　　我们可以看到，它们两者呈正相关性，也就是说，黑洞质量越大，它所居住的星系中心的核球质量也会越大。

　　这是不是说明，黑洞的成长和星系的成长是相关的呢？目前这个问题还是一个未解之谜，所以对黑洞的研究能够帮助我们认识星系，认识黑洞和星系的关系。

　　除了对研究星系有很大的帮助，对研究整个宇宙的历史，黑洞的功劳同样功不可没。

　　如果把我比作一个活跃的黑洞，我正在吃东西，正在发光，我发出的光会经过一排一排又一排的观众直达最后一个观众的眼里，因为今天这个场地很小，所以光减弱的效应非常弱。

　　可是如果达到地球的光来自几十亿光年外的黑洞的话，那光在一路上会经过很多的星际介质。

　　望远镜最终记录下的光谱是这样的，上面有很多的凹陷区域，我们把它们叫作吸收线，吸收线反映了黑洞发出的光在穿越的过程中，星际介质所留下的痕迹。

　　大家现在看到的是我拍摄到的活跃黑洞的光谱，通过研究黑洞的光和光上留下的痕迹，我们可以研究星际介质的分布有多少，它们是怎么分布的。所以，研究黑洞有利于研究宇宙的历史。

　　虽然超大质量黑洞、恒星级质量黑洞在银河中对我们的影响非常小，但对于研究黑洞自身、黑洞与星系、黑洞与宇宙来说，黑洞的研究都是非常关键的。黑洞还有很多的秘密没有解决，这都促使我们一定要去研究黑洞。

　　思想晚餐

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　　科学家如何研究黑洞

　　不知道我上述说的理由能不能说服大家，黑洞研究其实是非常有意义的，有价值的。那我们到底该怎么研究黑洞呢？

　　前面提到的直接证据或者间接证据，一方面证实了黑洞的存在，另一方面也是研究黑洞的好素材。

　　下面我给大家讲一讲，我是如何利用黑洞发出的光来探测黑洞周围气体的运动，进而知道黑洞的质量的。

　　地球绕太阳转示意图

　　先给大家看一个简单的模型，这是太阳和地球运转的示意图。

　　我们知道地球围着太阳转，更准确地说，它们是围绕着共同的质心在转动。

　　如果我知道地球围绕太阳转的速度是多少，再知道太阳和地球的距离是多少，我就能算出太阳的质量是多大了。

　　活跃黑洞简易模型图

　　这张图是我们对一类活跃黑洞做的简易模型图。中间是黑洞，旁边的区域是气体下落形成的吸积盘，吸积盘外还有一些气体云块。

　　通过拍摄黑洞发射的光，我想知道两个信息：气体云块距离黑洞有多远？气体云块围绕黑洞转的速度是多少？

　　就有点类似通过观测银河系中心黑洞附近的恒星运动，从而算出银河系中心黑洞的质量。

　　第一个活跃黑洞的图像和光谱

　　图左是人类看到的第一个活跃黑洞——3C 273的照片，这是我们在光学波段可以看到的它的样子。它像一个星点，所以我们把它叫作类星体（类似恒星的天体）。

　　实际上，它是一个活跃星系的中心，也就是一个黑洞。图右是这个黑洞的光谱，它包含了很多个频率的信息，反映了在比较窄的频率波段，光的强度有多强。

　　而我的工作是什么呢？我的工作就是从技术上去分析这样的光谱，从而找出哪些是吸积盘发出的，哪些是气体云块发出的。

　　就拿这个光谱来说吧，气体云块发出的光是发射线，而吸积盘发出的光是连续的，如果做一个拟合的话，就是图中连续谱的情况。

　　通过研究气体云块发出的信号，我就能知道气体云块围绕黑洞转的速度，再基于一些经验关系，从连续谱的信息中，我又能知道气体云块距离黑洞有多远。

　　有了这两个数据，我就可以算出黑洞的质量有多大了。

　　和黑洞当朋友十年多了，我从它的身上学到了很多东西。我觉得黑洞真的是宇宙中最优雅、最单纯的天体，为什么这么说呢？

　　因为完整地描述黑洞，只需要三个参量就够了：质量、电荷（是否带电，带正电还是负电，带多少电）、转动能力（角动量）。

　　可是要完整地描述我的大拇指指甲盖，大家知道需要多少个参数吗？上亿个都不止。因为指甲盖由分子组成，分子有原子，原子又有原子核和电子，原子核又有质子和中子，质子和中子又有夸克，而要描述夸克又得要多个参数。

　　三个参数和上亿个参数相比，黑洞确实是一个非常单纯的天体。

　　虽然黑洞自身尺寸非常小，一个太阳黑洞的视界半径才3000米，一个地球黑洞的视界半径才9毫米，但黑洞所居住的星系比它大多了。

　　一个黑洞相当于一个小黄豆，它所居住的星系相当于一个直径50000米的大球。

　　尽管体积相差巨大，但这个小家伙每秒钟发出的能量，发出的光却是那个大家伙每秒钟发出的几千倍，甚至可能还会对那个大家伙产生一定的影响。

　　有时候我会想，宇宙是一个很大的领域，我是研究黑洞领域的，而黑洞领域又很宽泛，我是通过观测光来测黑洞的质量；有的人是基于测好的黑洞质量去研究黑洞和星系的关系；还有的人会研究吸收线的特征，研究星际介质的情况……每个人研究的领域其实都非常小。

　　从黑洞，我学到的道理：做个像黑洞那样优雅、纯粹的人；就像黑洞很小，但仍可能对比它大许多的星系产生大影响；我们也很渺小，但我们是历史长河的一部分，也能激起一点水花 。

　　原标题：被压缩到何种尺寸，你才会变成一个黑洞? | 左文文

　　来源：格致论道讲坛

　　编辑：Norma

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