你可以这样告诉孩子，黑洞是饥饿的怪兽，也是没有头发的歌者

博雅小学堂
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给孩子受益终生的人文底色 [本文来自：www.11jj.com]

文 | JoAnna Klein  Dennis Overbye

来源 | .. 博雅小学堂编译

昨天，人类历史上张黑洞照片公布。太空中最神秘的黑暗深渊终于露出真容。不过接下来的问题是，黑洞究竟是什么，是饥饿的野兽，还是没有头发的歌者？你又是否知道，黑洞决定了我们所知有关宇宙如何运作的一切？

今天我们推送的文章，来自最新一期《..》写给地球人的黑洞指南。

欢迎你，地球人，欢迎你来到不归之地。这里是宇宙中某处地方，它的引力场是如此强大，连光也无法逃离。

这里，是黑洞。

如果你感到迷惑，也实属正常。即使是阿尔伯特·爱因斯坦——正是他的广义相对论使得这个地方的存在成为可能——也觉得黑洞的概念太过荒谬，不可能存在。

然而爱因斯坦错了，你就在这里。

你实在不该出现在这里。当然，你会被吸进去。不过别害怕，亲爱的地球人，既然你的大脑已经花费了数百万年才最终抵达这里，应当已经做好准备，凝视这黑暗的深渊。

所以，让我们开始吧。

在银河系中心的超大质量黑洞的事件视界附近可以看到明亮的耀斑. NASA/CXC, via MIT, via F.K.Baganoff

01

黑洞是一只饥饿的怪兽

它吞噬一切——太近、太慢或太小而无法抵抗它强大引力的一切。随着它吞下每颗行星、恒星和星际气体，黑洞都会将它们的质量纳为己有，不断发展壮大。

黑洞边缘环绕着的，是事件视界（the event horizon），也是一旦越过便无可回头的不归点。一进入视界，连光都会被吸入黑洞，无法逃脱。而没有什么比光更快。

为一个教育视频游戏模拟的黑洞图像。Denver Museum of Nature and Science

02

如果你落入黑洞，

你将如何死亡尚未可知

引力会把你撕裂、摧毁，挤压进黑洞的核心区？或者那道高能粒子构成的黑洞火墙会将你烧成灰烬？又或者来自于你的某些基本粒子会从黑洞中泄露出来？

你在黑洞中将如何死去，是整个物理学届最大的争议之一。

这个被称为“火墙悖论”的概念，于2012年3月由理论物理学家提出，他们包括唐纳德·马洛夫，艾哈迈德·艾尔姆赫里，詹姆斯·萨利和约瑟夫·波尔钦斯基。

根据爱因斯坦1915年广义相对论的计算，你会毫发无损地穿过事件视界，然后黑洞的潮汐力会将你拉伸得像一根面条，并最终把你塞进奇点——即黑洞无限密集的核心。

然而波尔钦斯基博士和他的团队，却使得爱因斯坦和量子理论对立起来。后者认为事件视界是一个炽热的高能粒子火墙，可以将你的身体烧成灰烬。然而，火墙的存在违反了广义相对论最珍贵的原则，而恰恰是后者奠定了黑洞存在的基础。

现代物理学在这里陷入了自相矛盾的境地。

中间最亮的白点是银河系的中心，也标志着超大质量黑洞的位置.NASA/JPL-Caltech

03

我们所知有关宇宙如何运作的一切

都取决于黑洞

要么有人错了，要么我们不得不承认地球人仍没有能力去理解宇宙。

火墙悖论动摇了现代科学最确凿无疑的理论基石。即便人类有着爱因斯坦、波尔钦斯基和斯蒂芬霍金的见解和智慧，如果我们能够确切知晓黑洞内部会发生什么，我们现在所知的关于宇宙的一切都可能被颠覆。

英仙座A星系 NASA

04

黑洞可以歌唱

2003年，由X射线天文学家安德鲁·法比安带领的国际团队，利用美国国家航空航天局的钱德拉X射线太空望远镜，探测到了宇宙中最悠长、最古老、最低沉的音符——黑洞之歌。 

这是距离地球2.5亿光年的英仙座星系团中央一个超大质量黑洞所发出的声波，如果用音乐术语来表述，它发出的是降B音。

这些音符在银河系中传播，从未抵达到我们所在的地方，但无论如何人类都无法亲耳听到它们。人类能听到的最低音的振荡周期为1/20秒，而英仙座黑洞声音的振荡周期却是一千万年。

这些黑洞之歌或许要对宇宙中恒星的“出生率持续下降”负有责任。在像英仙座这样的星系团中，这些音符所携带的能量，会加热星系中的星际气体，使之难以凝聚坍缩形成恒星。

从开罗西南的沙漠可以看到银河系。Amr Abdallah Dalsh/Reuters

05

天文学家已经证明

宇宙中几乎每个星系都有黑洞

虽然地球附近并没有哪个黑洞足够靠近，可以捕获地球并拉进它的黑暗深渊，但宇宙中的黑洞依旧多到数不清。几乎每个星系 —— 我们自己的银河系，以及从地球上可见的1000亿左右其他星系 ——都显示出迹象，表明其中心有超大质量黑洞。

此外，星系越大，其中心黑洞就越大。没人知道为什么。

在银河系数十亿颗恒星中，每1000颗新恒星中就有一颗足够巨大，可以成为一个黑洞。我们的太阳还不够格，但是一颗比它重25倍的恒星就可以。

恒黑洞就是由这些大质量的恒星死亡引起的，它们可以存在于银河系的任何地方。

超级计算机模拟显示了一对中子星碰撞，坍缩成黑洞并将自己撕裂出可见宇宙的那一刻。

06

黑洞是恒星墓碑

1967年7月2日，一个卫星网络记录了来自太空深处的伽马射线爆发。回想起来，这是证实黑洞存在的批迹象之一。

今天，科学家相信伽马射线爆发是一颗垂死恒星呼出的最后一口气，它也标志着一个恒黑洞的诞生。

当巨大的恒星耗尽内部的燃料时，戏剧性的转变就开始了。随着恒星开始收缩，它会爆炸。恒星表面会迅速膨胀，但内核却因为内爆，变得越来越致密，直到在一个太小的空间内容纳了太多物质，无法继续被压缩。内核屈服于自身的引力，向自身坍缩，在极端情况下形成一个黑洞。

从理论上讲，如果你将任何质量缩小到一定空间，它就会变成一个黑洞。如果你试图将地球塞进一个豌豆中，我们的星球也会成为一个黑洞。

美国宇航局的哈勃太空望远镜在银河系的中心捕获了一个高能量爆炸，可能是一个黑洞正在进食。NASA

07

黑洞没有头发

2011年3月28日，天文学家观测到一次伽马射线爆发，来自距离地球40亿光年的银河系中心。这是人类次观测到，一个蛰伏的黑洞可能吞噬了一颗星体。

无论黑洞吃下了什么——一颗恒星、一头驴子、一台iPhone，或是你的语法老师，对黑洞来说，都没什么差别。 

“黑洞没有头发。”物理学家约翰·惠勒曾经说过。这意味着对黑洞来说，所有囫囵吞下的晚餐只有三个特征：它们的质量，它们的角动量（旋转速度有多快）和它们所带的电荷。

黑洞吃得越多，长得就越大。2011年，科学家发现了有史以来最大的黑洞之一，它距离我们超过3亿光年，重量足以吞噬210亿个太阳。

科学家们想知道，这个最大黑洞是由两个黑洞合并而成的，还是单纯因为自己吃下了太多。但是科学家们尚未找到原因。

一个艺术家诠释的巨大的椭圆星系的中心区域移动的恒星，这个星系有一个黑洞。Lynette Cook/Gemini Observatory, via Nature, via Associated Press

08

即便是黑洞也无法永生

量子效应表明，当霍金辐射泄漏到宇宙中时，黑洞终将消散。然而想要使一个黑洞完全蒸发，需要比宇宙的年龄长很多倍的时间。

像爱因斯坦一样，霍金博士起初并不相信他自己提出的理论。然而数字是正确的。

物理学家现在认为，无论未来的理论将如何把引力与量子理论结合起来，霍金得出的结果，都将成为新理论的基石。

事件地平线望远镜——一个与地球一样大的太空望远镜网络，天文学家用它拍摄了张黑洞照片——这是一个如此深邃的深渊，没有光可以逃脱。

09

要找到黑暗，请遵循光明

光无法逃离黑洞，所以要想看到洞里的东西是不可能的。获得黑洞边缘的照片已经非常困难，而想要获得清晰的黑洞图像又是另一回事了。

直到不久之前，人类还未曾完成过这项挑战，科学家们只能通过黑洞留在宇宙中的“签名”，间接地探测到它们的存在，这些“签名”可能是一次伽马射线爆发、超新星形成，或者是黑洞事件视界边缘的物体。 

通常，如果一股巨大的能量来自星系中心的巨大核心，这个核心就可能是一个黑洞。

事件视界望远镜——正是这台“超级联合望远镜”，天体物理学家谢泼德·多勒曼和他的同事才得以拍摄到室女座超巨椭圆星系M87中央的黑洞。来自四个大陆的100多名科学家，使得这项雄心勃勃的项目成为可能。

2017年4月，科学家们将分布四大洲的8个太空望远镜组合成一个阵列，将它们校准，在同一时刻对准太空。 然后等待。

由此，他们将爱因斯坦的怪物—— 黑洞，次带入了人类的视野。

人类张黑洞照片。Event Horizon Telescope Collaboration, via National Science Foundation

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