最后更新：2024年9月29日

追踪不可见黑洞的踪迹：对邻近恒星的引力影响与效应

*黑洞及其吸积盘的艺术再现图，图片来源：V. Beckmann（美国宇航局戈达德太空飞行中心）等人，欧洲空间局*

什么是黑洞？

黑洞是天体物理物体，其引力场极为强烈，以至于光线也无法逃脱，因此它们是不可见的。这些物体是由大质量恒星核心（超新星）的引力坍缩形成的。这一早在18世纪由约翰·米歇尔（John Michell，1724-1793）预见的现实，如今由广义相对论精确描述，该理论将事件视界定义为任何粒子或辐射都无法逾越的界限。

通过引力相互作用的间接观测

黑洞可以通过其对周围环境的引力影响来探测。在天体物理学中，这转化为对恒星或气体在看不见光源的区域周围运动的研究。

恒星速度曲线：通过测量致密区域附近恒星的轨道速度，可以推断出中心天体的质量。不可见质量的过剩是黑洞存在的强烈迹象，例如银河系中心的人马座A*。
引力透镜效应：强引力场对光线的偏折也可通过引力透镜效应揭示孤立黑洞的存在。

吸积盘发出的X射线辐射

处于吸积阶段的黑洞会吸引周围物质，形成高速旋转的热盘。内摩擦使盘的温度升至数百万开尔文，从而发射出X射线，可被专用卫星（如钱德拉、XMM-牛顿）探测到。

X射线辐射的光谱和变异性提供了关于黑洞附近环境的质量、自转速度（自旋）以及结构的信息。

射电观测与直接成像

2019年事件视界望远镜（EHT）拍摄的M87星系超大质量黑洞阴影的历史性图像是一项重大突破。这个全球射电望远镜网络采用甚长基线干涉测量（VLBI）技术运行，提供了足够的角分辨率，从而能够"看见"被吸积盘环绕的黑洞阴影。

引力波的探测

双黑洞并合产生的引力波被地面干涉仪（LIGO、Virgo、KAGRA）探测到。这些波是时空的形变，通过能够检测到10⁻¹⁹米量级长度变化的超灵敏激光干涉仪进行测量。

对波形的分析可以提取观测系统的质量、自旋和距离，为研究黑洞的极端物理提供了新的观测渠道。

表：黑洞观测方法总结

天体物理学中探测黑洞的主要方法
方法	物理原理	检测到的信号类型	乐器示例
引力影响	对恒星和气体轨道运动的影响	速度曲线，引力透镜	光学观测站：VLT、凯克
吸积盘发出的X射线辐射	圆盘内摩擦和电离产生的热量	X射线	卫星：钱德拉、XMM-牛顿
VLBI射电成像	高角分辨率干涉测量	黑洞阴影的直接图像	事件视界望远镜（EHT）
引力波	聚变过程中时空的暂时形变	音频频段的引力信号	LIGO、Virgo、KAGRA

来源： • Misner, C.W., Thorne, K.S., Wheeler, J.A.，《引力》，1973年。 • Abbott B. 等，《双黑洞合并引力波的观测》，《物理评论快报》116卷，2016年。 • 事件视界望远镜合作组，《M87事件视界望远镜首批成果》，《天体物理学杂志快报》875卷，2019年。 • 美国宇航局钱德拉X射线天文台，https://chandra.harvard.edu

黑洞是否一直存在？

黑洞并非完全是恒星演化的产物：有些可能在宇宙大爆炸后的最初几秒就已经存在。这类黑洞被称为原初黑洞。与恒星黑洞不同，这些假设中的天体并非源于恒星坍缩，而是由早期宇宙中极端密度涨落形成，并在宇宙暴胀期间因快速膨胀而被放大。

根据物理模型，宇宙中某些区域可能曾局部超过临界密度，从而引发即时引力坍缩。若这些原初黑洞确实存在（或仍存在），其质量范围可能极为广泛，小至不及小行星，大至数千倍太阳质量。它们的出现或可部分解释暗物质的构成，尽管迄今尚无直接观测证据证实其存在。

从这个意义上说，黑洞不仅是恒星孕育的产物，更可能是原始宇宙极端条件的见证者。因此，对它们的研究将有助于检验物理学的基础理论，例如暴胀理论、量子引力或统一模型。

原初黑洞与恒星黑洞的比较
特征	原始黑洞	恒星黑洞
起源	原初宇宙中的密度涨落，大爆炸之后	大质量恒星核心在超新星爆发后的引力坍缩
形成期	大爆炸后的第一秒内	大爆炸数亿年后（在形成大质量恒星之后）
质量范围	从约$10^{-5}$克（普朗克质量）到数千个太阳质量	从几个到几十个太阳质量
观察	迄今为止，假设性的直接探测尚未实现。	经X射线辐射、引力波、恒星动力学确认
潜在的宇宙学角色	暗物质的可能候选者；超越标准模型的物理检验	星系中恒星演化的常见产物

参考文献：• Carr B.J., Hawking S.W.,《早期宇宙中的黑洞》，《皇家天文学会月刊》，168，399–416（1974年）。• Carr B.J., Kühnel F.,《原初黑洞作为暗物质候选者》，《核与粒子科学年度评论》，70，355–394（2020年）。• Sasaki M. 等，《原初黑洞——引力波天文学视角》，《经典与量子引力》，35(6)，063001（2018年）。• Zel’dovich Y.B., Novikov I.D.,《相对论天体物理学》第1卷，芝加哥大学出版社（1971年）。• Abbott B. 等（LIGO科学合作组织与Virgo合作组织），《GWTC-3：LIGO和Virgo在第三次观测运行第二阶段观测到的致密双星并合事件》，《物理评论X》11，021053（2021年）。