光都逃不出黑洞，X射线流却可以逃出去，原因何在？

宇宙中有很多奇妙的天体，一般大家都会根据它们的名字进行想象。那些漂亮的星云，基本上都根据其在宇宙中所呈现的模样命名，比如玫瑰星云、鹰状星云、蟹状星云等。

宇宙中永不凋零的玫瑰星云NGC2244

那么黑洞是不是也如它的名字一般，是一个黑暗的空洞呢？其实并非如此，真实的黑洞就像一个甜甜圈，它的中心确实为黑色，但周围却有着十分明亮的环状结构。

黑洞看起来仿佛能吃下宇宙一切

黑洞到底是什么？为什么黑洞可以吞噬物质？X射线流是什么？被其吞噬的物质都去哪里了？下来我们就来了解一下，为什么光都不能逃出黑洞，X射线流却可以从中脱离？

宇宙饕餮——黑洞

在相关定义中，黑洞是指时空曲率达到光都无法从世界逃脱的天体。1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西对“视界”进行研究，他指出如果一个静态球对称星体的实际半径小于一个定值（9.8米），那么周围就会产生神奇的现象，也就是会出现一个“视界”。

德国天文学家卡尔·史瓦西

几乎所有的物质进入这个界面，都无法逃脱，就连有着宇宙第一速度的光都没有办法逃脱。这个天体被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒称为“黑洞”。之所以光无法逃脱，是因为黑洞有着极强的引力，使得视界内的逃逸速度比光速大。也正是由于黑洞将光吃掉，所以我们不仅肉眼无法观测到，甚至此前利用望远镜也很难观测到。

美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒

• 黑洞的形成

关于黑洞几乎可以将一切宇宙中的物质吞噬的情况，事实上与其形成有很大关系。此前科学家对一颗恒星的一生进行研究，我们了解到恒星最终都会走向灭亡。当一颗大质量恒星将内部的物质都燃烧殆尽时，就有很大几率发生超新星爆发。

根据原恒星的质量，在超新星爆发中，其核心就会留下一颗中子星，继续发光发热。但如果恒星质量更大一些，其核心就会留下一个黑洞。

哈勃卫星拍摄的超新星残骸1E0102.2-7219（蓝色）

根据爱因斯坦的相对论，当恒星向中心坍缩爆炸成黑洞时，其核心就一直收缩，直到所有物质都成中子，此时的内部空间和时间也在不断压缩中，使得核心被压缩成一个致密的星体。

此时的黑洞中心就是一个由黎曼曲率张量出发构建的标量多项式在趋向中心发散的奇点，这个奇点由于原恒星的超大质量（比太阳质量大几十甚至几百倍），也产生了巨大的引力，使得任何靠近它的物质都会被吸收进去。

吞噬恒星的黑洞

逃离黑洞的X射线流

科学家如此命名黑洞，是因为黑洞的引力将大量的可见光都吸收进去，使得我们无法观测到。但是在2019年，科学家模拟出口径像地球一样大的“事件视界望远镜”，观测到了一个位于室女座的黑洞。

• 为什么黑洞可以被观测到

这个黑洞位于一个被命名为M87的巨椭圆星系中，它的质量大约是太阳的65亿倍，距离地球5500万光年。科学家拍摄下人类观测到的首张黑洞照片，我们才得以看到原来黑洞并非是黑漆漆的一块，它还是会发出光芒。

拍摄的首张黑洞照片

科学家之所以可以拍到这张照片，其实就是因为发现了黑洞将气体聚拢在周围的时候，由于黑洞引力带来的加速度导致一些辐射发射出来，这些辐射在黑洞的两端被喷射出来，其中就包括X射线流和γ射线等其他等离子体气流。

黑洞喷射出射尔流

X射线流作为光的一种类型，自然可以发出光亮，M87发射出来的射线流长达5000光年，所以才会被科学家观测到。但是按理说，光不是无法逃离黑洞吗？那为何X射线流却可以从黑洞中逃出来？

• 黑洞的吸积盘

我们从黑洞的照片中可以看到，它的中心确实是一团黑色的存在，但是在周围却有明亮的一团，这一圈发光的存在就被称为黑洞的吸积盘。霍金证明每一个黑洞都有一定温度，黑洞的质量越大，其温度就越低，反之亦然。

黑洞吸积盘的形成

由于高温气体辐射热能的效率会影响吸积流的几何和动力学特性，从而产生辐射效率较高的薄盘和辐射效率较低的厚盘，也就是说黑洞的质量越大，周围的吸积盘就越明显。

黑洞强大的引力场会使得被吸引到吸积盘的物质被压缩，其中的热度足够使其激发出电磁辐射，并且大部分都处于光谱的X射线区域。其实这些逃出来的X射线流并非从黑洞的中心发出，或许我们可以将其理解为还没有被吞进黑洞的肚子就被吐出来了。

黑洞喷射X射线流

• X射线流会促进黑洞迅速生长

这些被喷射出来的X射线流似乎不只会让人类观测到黑洞的存在，还在一定程度上可以促进黑洞迅速生长。科学家通过智利拉斯坎帕纳斯天文台大麦哲伦望远镜进行红外观测，发现一个距离地球130亿光年的超大质量黑洞，经过证明这个黑洞是2015年发现的喷射流的源头。

大麦哲伦望远镜

随后又有科学家通过NASA的钱德勒X射线天文望远镜，从一个距离地球127亿光年的超大质量黑洞中探索到天体物理喷射流的现象，这是人类第一次在X射线中观测到最遥远的天体物理喷射流。据了解，这个喷射流已经持续了将近数十万光年，它的喷射量足够为黑洞提供一定的供给，使得黑洞不断生长。

钱德拉X射线天文台目的是观测天体的X射线辐射

黑洞并非完全吞噬物质

事实上，按照此前的说法，黑洞会将所有靠近它的物质都一并吞下，但科学家通过模拟实验后发现并非如此。德国汉堡的粒子加速实验室的科学家，对黑洞吞噬恒星的过程进行模拟。

恒星在靠近黑洞后，会在很短的时间内被黑洞的引力拉扯，大量的恒星物质会在黑洞周围延伸出一大片区域，但是进入黑洞中的恒星物质只有1%，剩余的大部分物质都被挤压成射线从黑洞的两极喷发射出。所以才会出现大量的X射线逃出的情况，这也就是经常在黑洞上演的“物质井喷”现象。

黑洞吸积形成射流

虽然我们将黑洞视为恒星的坟墓，但根据这个实验，我们发现黑洞也并不会将恒星的所有物质吞噬，大量的物质还是会被抛射出去，或许这些物质在未来还有机会形成新的恒星。

当然也有一些恒星的命运会比较惨，一些小质量的恒星可能会被黑洞直接撕碎成物质流，随后被吞进黑洞的中心。在那里我们不知道它会发生什么，它的结局就是一个未知数。

每颗恒星进入黑洞命运皆不同

黑洞也会消亡

但是和宇宙中所有的星体一样，恒星也会面临消亡的一天。当黑洞周围不再有可以吞噬的物质时，它就可能会逐渐蒸发消失。前面我们提到黑洞本身具有一定温度，当黑洞的质量越小时，它的温度就会越高，蒸发也就越快。

黑洞开始蒸发之后，就会开始收缩，随之粒子也会在其失去质量的时候，增大逃逸速度。但是要观测到黑洞的消失，其实并不简单，要么时间太长，要么转瞬即逝。

一个大质量的黑洞和小质量的黑洞相遇

霍金通过计算后得出，一个相当于太阳质量的黑洞，完全消失殆尽可能需要大约1x10^66年。而如果是一颗小质量行星大小的黑洞，那么它的蒸发速度就会很快，只需要1x10-21秒。

• 白洞

由于我们无法观测到黑洞内部的情况，那些被黑洞中心吞噬进去的物质也不知去向，所以科学家就提出，或许在黑洞的另一面存在一个白洞。而这个白洞除了与黑洞一样有一个封闭的边界外，其余的就与黑洞完全相反。

白洞是一个强引力源，其外部引力性质均与黑洞相同

黑洞吞噬，白洞释放，于是那些被黑洞吞噬的物质就会从白洞这里重新回到宇宙中。在宇宙理论中还存在一种虫洞的说法，一些科学家认为黑洞和白洞连接在一起就是虫洞。

虫洞是1916年由路德维希·弗莱姆首次提出的概念

但无论是虫洞还是白洞，目前科学家还没有观测到相关的天体存在，所以尚且还处于理论和猜想中，既然黑洞能够得以观察，那这两种天体或许在未来也会被观测到。