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黑洞解释：它们如何形成、外观如何以及存在的证据
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要点
黑洞是一个引力极强的区域，任何东西，甚至光线，一旦越过事件视界就无法逃脱。根据美国宇航局(NASA)的说法，大多数黑洞是由质量巨大的垂死恒星的坍缩形成的，而最大的超大质量黑洞的起源仍然不甚明了。它们的存在已通过2015年的引力波探测和2019年的直接图像得到确认。
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黑洞是太空中的区域，其中引力强大到足以使任何东西，甚至光线，都无法逃脱超过某个边界。这个边界称为事件视界，美国宇航局(NASA)将其描述为逃逸速度超过光速的点。
黑洞如何形成
最常见的途径是一颗质量巨大的恒星的死亡。根据美国宇航局(NASA)的说法，一颗超过20倍太阳质量的恒星，当其核心的核燃料耗尽后，会在自身重力的作用下坍缩。一旦坍缩的核心超过大约3倍太阳质量，就没有任何已知的力量能阻止坍缩，黑洞就会形成。
超大质量黑洞位于大星系的中心，质量在100,000到数十亿倍太阳质量之间，单靠恒星坍缩很难解释。美国宇航局(NASA)指出，超大质量黑洞的起源仍然不甚明了，尽管已知它们自星系形成初期以来就已存在。
黑洞形成后也会增长，通过一个称为吸积的过程吸入周围的气体和尘埃，也会与其他黑洞合并。
黑洞的结构
美国宇航局(NASA)对黑洞解剖学的描述列出了几个不同的部分。奇点是中心的理论点，根据广义相对论，物质在那里被压缩到无限密度。围绕它的是事件视界，即不归点。
往外，下落的气体和尘埃形成吸积盘，这是一个旋转结构，当向内螺旋时被加热，使其成为天文学家探测黑洞的主要方式之一。在黑洞附近，光可以绕行多次才能逃逸，产生一个细的、扭曲的环，称为光子球。一些黑洞还会在盘上方产生一个十亿度的粒子日冕，以及对对射流，将物质向外发射，速度接近光速，据美国宇航局(NASA)称，来自超大质量黑洞的射流可以延伸数十万光年。
黑洞的类型
天文学家按质量将黑洞分类。恒星质量黑洞的质量范围约为3到数十倍太阳质量，散布在银河系等星系中。超大质量黑洞位于大星系的中心，质量从100,000到数十亿倍太阳质量；位于星系M87中心的黑洞质量超过60亿倍太阳质量，美国宇航局(NASA)表示。中等质量黑洞的范围在100到超过10,000倍太阳质量之间，确认的例子很少；美国宇航局(NASA)称2019年合并事件GW190521产生了一个142倍太阳质量的黑洞，这是迄今为止该类别最有说服力的例子。
| 类型 | 典型质量范围 | 例子 |
|---|---|---|
| 恒星质量 | 约3到数十倍太阳质量 | 分散在银河系中 |
| 中等质量 | 100到超过10,000倍太阳质量 | 合并产物GW190521(142倍太阳质量) |
| 超大质量 | 100,000到数十亿倍太阳质量 | M87*(超过60亿倍太阳质量) |
科学家如何证明黑洞真实存在
在通常意义上，黑洞的直接图像是不可能的，因为没有光能从事件视界内逃逸。相反，研究人员寻找间接效应，过去十年中两个里程碑式的结果将黑洞从理论预测变成了观测现实。
第一个出现在2015年9月14日，当时美国的双Advanced LIGO探测器拾取了一个引力波信号，后来被命名为GW150914，根据Physics World的发现报告。该信号来自两个黑洞，质量分别为36倍和29倍太阳质量，合并成一个自旋的62倍太阳质量黑洞，距离地球约13亿光年。差值相当于3倍太阳质量，已作为引力波辐射出去。探测的统计显著性超过5.1西格玛，确认了引力波以光速传播，正如爱因斯坦的广义相对论所预测的那样。
第二个里程碑出现在2019年4月10日，当时事件视界望远镜合作团队发布了黑洞轮廓的首张图像，据麻省理工学院新闻报道。目标是M87中心的超大质量黑洞，距地球5500万光年，质量为65亿倍太阳质量，事件视界约400亿公里。来自夏威夷、亚利桑那州、墨西哥、西班牙、智利和南极洲的八台地基射电望远镜协同工作，充当一个单一的虚拟仪器来捕捉图像，该图像显示了一个明亮的、围绕黑暗中央"阴影"的发光气体环。
这个阴影是由事件视界对光的引力弯曲和捕获引起的，揭示了关于这些迷人物体的本质的许多信息。
超过200名来自13个合作机构的研究人员为2019年的结果做出了贡献，根据麻省理工学院新闻，观测到的阴影与广义相对论的预测相符。
对周围太空的引力影响
在黑洞附近，下落的物质螺旋进入吸积盘，美国宇航局(NASA)将其描述为"炽热、明亮、快速旋转的盘"—这是天文学家探测黑洞的主要方式之一，尽管黑洞本身不发光。这些相同的引力效应弯曲了附近经过的光的路径，这就是为什么在EHT图像中产生发光环而不是简单的黑圈。
常见问题
常见问题
- 有什么东西能逃脱黑洞吗？
- 没有。美国宇航局(NASA)将事件视界定义为逃逸速度超过光速的边界，这意味着一旦任何东西（包括光）越过那一点，就无法逃脱。
- 黑洞如何形成？
- 根据美国宇航局(NASA)的说法，恒星质量黑洞形成于一颗超过20倍太阳质量的恒星耗尽核燃料，其核心如果超过约3倍太阳质量，会在自身引力下坍缩。超大质量黑洞的起源不太清楚；美国宇航局(NASA)表示这一点理解甚少，尽管已知这些物体自星系生命的最初时期以来就已存在。
- 黑洞曾经真的被拍摄过吗？
- 根据麻省理工学院新闻的报道，2019年4月，事件视界望远镜合作团队发布了首张图像，显示了星系M87中心的超大质量黑洞的阴影和周围发光气体环。
- 黑洞合并的第一个直接证据是什么？
- 根据Physics World的发现报道，2015年9月14日，LIGO探测到来自两个黑洞的引力波，分别为36倍和29倍太阳质量，合并成约13亿光年外一个62倍太阳质量的黑洞。
- 已知最大黑洞类别有多大？
- 根据美国宇航局(NASA)的说法，超大质量黑洞的范围约为100,000到数十亿倍太阳质量，并位于大星系的中心；M87中的那个黑洞质量超过60亿倍太阳质量。
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