搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第76期，对话中国科学院国家天文台研究员乔二林。
嘉宾简介：
乔二林，中国科学院国家天文台研究员，主要从事黑洞天体物理学研究。
划重点：
1. 天文上所说的黑洞既不发光，也不发热，因此，孤立的黑洞很难被探测到。在实际的天体环境中，主要通过研究黑洞和周围物质的相互作用过程，并结合多波段的电磁辐射来揭示黑洞的基本性质。
2. 根据爱因斯坦广义相对论，与黑洞“暴跌区域”密切相关的半径有两个，一个半径是黑洞周围物质运动的最小稳定圆轨道，另外一个半径是黑洞的视界面。“暴跌区域”就是指视界面和最小稳定圆轨道之间的区域。
3. 在“暴跌区域”，物质掉落下来的速度会特别快，长期以来在计算黑洞周围流体辐射时并没有把这部分辐射加进去。
4. 黑洞的质量、自旋、以及黑洞吸积盘倾角的大小，黑洞离我们的距离，这些参数都会影响最终的计算结果，所以“暴跌区域”的物理性质还不能百分之百敲定，仍需要进一步探索。
出品｜搜狐科技
作者｜周锦童
从古至今，宇宙都以它的神秘莫测吸引着一代又一代人类不断进行探索追寻，而宇宙中最奇特的天体之一，莫过于黑洞。
爱因斯坦的广义相对论曾预言，一旦物质足够接近黑洞，黑洞巨大的引力将迫使物质放弃圆形旋转轨道，直接以光速坠入黑洞。
近日，NASA的两台天文观测设备，NuSTAR（核光谱望远镜阵列）和NICER（中子星内部组成探测器）的最新观测结果，首次揭示了黑洞周围的“暴跌区域”。
什么是“暴跌区域”？“暴跌区域”在哪里？有多大？与爱因斯坦的广义相对论又有什么关系？带着这些问题，搜狐科技对话了中国科学院国家天文台研究员乔二林。
如何探测黑洞？黑洞的视界面是什么？最小稳定圆轨道又是什么？
黑洞是广义相对论所预言的存在于宇宙空间中的一种致密天体。“黑洞”这个词最早是在1964由美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）提出的。
“我们天文上所说的黑洞既不发光，也不发热，孤立的黑洞是很难被探测到的，因此，在实际的天体环境中，可以通过研究黑洞和周围物质的相互作用过程，并结合多波段的电磁辐射来揭示黑洞的基本性质。”乔二林如是说。
众所周知，黑洞本身的引力特别强，连光都无法逃逸，当气体“掉落”黑洞的过程中，引力能会通过摩擦等一些相互作用转化为内能，这就会把气体加热到一个很高的温度。
恒星级黑洞周围气体会被加热到约107 K（千万度），它产生的典型辐射就是X射线，NuSTAR和NICER就是研究恒星级黑洞非常重要的观测设备。
谈及这里，许多网友会好奇，黑洞有哪些种类？据了解，目前我们认识的黑洞有三大类：恒星级质量的黑洞、中等质量的黑洞以及超大质量的黑洞。
中等质量黑洞目前还没有确凿的观测证据，而超大质量的黑洞则有上百万个，一般处于星系的中心。恒星级黑洞就是由大质量恒星在演化过程中经历引力坍缩而形成的，目前观测确认的恒星级黑洞大约有二十几个。
除此之外，在解释“暴跌区域”前，还有两个有关黑洞的基本概念需要明晰：一是视界面，二是最小稳定圆轨道。
“黑洞不发光不发热，吸引万物，每个黑洞都存在一个表面，这就是视界面，所有东西掉入视界面都有去无回。”乔二林形象地解释道。
在广义相对论下，存在一个最小的稳定圆形轨道，这与黑洞本身自转有关。在最小稳定圆形轨道以内物质的运动会很不稳定，会以非常快的速度落入黑洞视界面。
“暴跌区域”非常小，加上“暴跌区域”的辐射能够完美拟合观测结果
最小稳定圆轨道以外的气体运动可以是稳定的，而气体一旦进入最小稳定圆轨道内，就无法稳定地按照原来的轨道进行，会特别快地掉入黑洞。
乔二林指出，黑洞有两个非常关键的半径，一个半径是最小稳定圆轨道，另外一个半径就是视界面，“暴跌区域”就是视界面和最小稳定圆轨道之间的区域。
“一般来说，不自转的黑洞（又称为史瓦西黑洞）的最小稳定圆轨道要比视界面大三倍，以接近光速转动的黑洞（又称为极端自转的克尔黑洞），它的视界面和最小稳定圆轨道基本上是重合的，所以这种情况暴跌区域是非常小的。”乔二林如是说。
乔二林进一步解释道，在“暴跌区域”，物质掉落下来的速度会特别快，所以长期以来在计算黑洞辐射时并没有把这部分的辐射加进去，也就说从最小稳定圆轨道到视界面这个区域里的辐射没有算进去。
通过图1我们可以看地非常清楚。黑色的符号代表观测数据，也就是观测到的X射线辐射，其它线条代表理论模型预测的结果。
这里rI指的是最小稳定圆轨道，绿色的线是r＞rI代表最小稳定圆轨道外的辐射，黄色的线是r≤rI，代表最小稳定圆轨道和视界面之间的辐射，也就是“暴跌区域”的辐射。
把上述两条线的辐射值相加会得到蓝色的线，再加上红色线的辐射（也是大于rI的一种被称为冕的物质的辐射），就会得到代表全部辐射（Total）的这条粉色的线，可以发现这条线和观测数据拟合的特别好。
从图2可以看到，左侧图片没有加入橙色的点线，也就是没有加上“暴跌区域”的辐射值，得出来的总辐射值（蓝色的线）与观测结果（黑色符号）拟合的不够好，而右侧图片加上橙色的点线后可以完美拟合，特别是搜狐科技圈红的地方。
爱因斯坦的预言又对了？有关“暴跌区域”的研究结果准确吗？
根据广义相对论的计算，一般情况下视界面的大小并不等于最小稳定圆轨道的大小，所以当物质从最小稳定圆轨道掉到黑洞视界面内之前，中间还隔着一个区域，这个区域理论上一定是存在的，但是需要观测检验，乔二林解释道。
那么我们一定会疑惑，难道以前没有人计算过“暴跌区域”的辐射值吗？
对此，乔二林表示，以前也不是完全没有人计算，但由于涉及到广义相对论偏微分方程等内容，计算非常复杂，而且因为这个区域物质掉落的特别快，到底有多少辐射并不是非常确定。
而这篇文章的重要性就在于论文作者较为仔细地计算了这个区域的辐射，并结合NuSTAR和NICER最新的观测数据，对“暴跌区域”的辐射进行了研究。
此外，谈及研究结果本身，乔二林表示：“这是一个很重要的研究进展，但是由于模型参数的简并问题，例如，黑洞的质量、自旋、黑洞吸积盘倾角的大小，黑洞离我们的距离，这些因素都会影响最终的计算结果，这使得该研究结果有一定的不确定性。
对话最后，乔二林表示：“这是一个非常漂亮的研究工作，但是要百分之百敲定“暴跌区域”的性质还需要进一步的研究。”
为什么宇宙会有黑洞？？
黑洞是广义相对论预言的一种特殊的天体。 其基本特征是有一个封闭的视界。 任何东西，包括光在内，只要进入视界以内都会被吞噬掉。 黑洞的概念最早出现是1798年，当时拉普拉斯根据牛顿力学计算出，一个直径为太阳250倍而密度与地球一样的天体，其引力足以捕获其发出的光线而成为一个暗天体。 1939年，奥本海默根据广义相对论证明一个无压球体在自身引力作用下能坍缩到引径rg。 rg=2GM/(c*c)当天体的质量M大于临界质量Mc时，引力坍塌后就不可能达到任何的稳态，只能形成黑洞。 黑洞只有三个特征量分别是质量M、角动量J和电荷Q。 Q=0的黑洞为轴对称的克尔黑洞，J=Q=0时的黑洞为球对称的史瓦西黑洞。 1974年，霍金证明黑洞具有与其温度相对应的热辐射，称为黑洞的发射。 黑洞的质量越大，温度越低，发射过程就越慢，反之亦然。 找寻黑洞是当代天文学的一个重要课题。 银河系内的恒星级黑洞候选者有天鹅座X-1等。 另外天文学家们还发现大星系的中心通常会隐匿着一个百万太阳质量以上的巨型黑洞。 如在超巨星系M87的中心就很可能隐匿着质量达30亿个太阳的黑洞。 而按照大爆炸学说，在宇宙形成早期可能会产生一些质量为10的15次方克的小黑洞。 通俗版回答：黑洞是一种非常神秘的天体。 它的体积很小，但密度却大得惊人，每立方厘米就有几百亿吨甚至更高。 由于它的密度大，所以引力也特别强大。 不管什么东西，只要被它吸进去，就别想“爬”出来，连跑得最快的光也逃脱不掉黑洞的巨大引力。 由于黑洞本身不发光，所以用任何强大的望远镜都看不见黑洞。 尽管如此，大多数科学家仍相信，宇宙中有着许许多多黑洞。 当大质量的恒星演化到晚年，经过超新星爆发，就有可能坍缩成黑洞。 在宇宙早期，也会形成一些小黑洞。 小黑洞的体积只有原子核那么大，质量和一座山差不多，达到上亿吨，里面蕴藏的能量相当于10个大型的发电站。 黑洞就像一个谜，没有人能看见它。 但黑洞强大的吸引力会影响它附近的天体，这些天体在被黑洞吸引、吞没的过程中，会发射出x射线或γ射线，而一旦落入黑洞，便无影无踪。 科学家就是通过观测这些射线，发现了黑洞的蛛丝马迹。 例如，天鹅座x—1的伴星可能就是一个黑洞。 还有科学家认为，银河系的中心也存在一个巨大的黑洞。
黑洞学是什么
黑洞 ，黑，表明它不会向外界发射或反射任何光线电磁波。 洞，说的是任何东西，只要一进入它的边界，就休想再溜出去......
黑洞真的存在吗
存在！
黑洞是一个时空的黑暗区，由一些质量颇大的星体经重力塌缩后，所剩余的东西就成了黑洞。它的基本特徵是有一个封闭的视界，这视界就是黑洞的边界，一切外来的物质和辐射可以进入这视界以内，但视界内任何物质都不能从里面跑出来。我们可用一句”有入无出”来形容它。 黑洞产生之谜？ 当一颗质量相当大的星体之核能耗尽(超新星爆发)后，残骸质量比太阳质量高3倍的恒星核心会演化成黑洞（若中子星有伴星，而中子星吸收足够伴星的物质，也能演化成黑洞)。在黑洞内，没有任何向外力能维持与重力平衡，因此，核心会一直塌缩下去，形成黑洞。 当物质掉进了事界，纵使以光速计算，也不能再走出来。 爱因斯坦以几何角度把黑洞解释为空间扭曲的洞，物质随空间而行，如果空间本身就是洞，是没有物质可逃出的。 黑洞分为四种： 恒星演化出来的黑洞、原始黑洞、重量级黑洞和研究中的中量级黑洞。 黑洞也有界限？ 当一个黑洞形成后，所有物质都会向中心塌缩成一个非常细小的质点，称为奇点，黑洞的表面层称为「事件穹界」。 而这表面层和中心奇点的距离就是史瓦半径。任何物质要从黑洞的史瓦半径跑到外面去，它的逃离速度便要大於光速。 但根据狭义相对论，光速是速度的极限，因此，一切物质到了事件穹界便扯向中心的奇点，永不能逃出来。 黑洞是看不见的吗？ 黑洞是个因为重力太强以致连速度最快的光也无法脱离的天体。黑洞周围的时空也受到重力的影响而扭曲，产生了一个事地平面，任何物质只要被它吞噬就再也逃脱不出这范围，它的半径称为重力半径。由於连光也无法脱离，所以无法看到事象平面之内侧。 黑洞之发现？ 於1990年4月27日，哈勃太空望远镜 Hubble Space Telescope的启用，为人类探索太空揭开了新的一页，虽然在制造时出了错误，使影像大打折扣，可是仍对天文学有莫大的贡献。 近来，人类对一直只是存在於理论范畴内的黑洞，已透过哈勃太空望远镜，有了进一步的证据。於仙女座大星系M31附近的M32发现了一个质量大於太阳三百万倍的黑洞。M32是在我们的银河系附近，距离地球2.3百万光年的星系。它是人类所知密度最高的星系，於直径只有一千光年的范围内（我们的银行河系直径约十万光年），包含了四百万颗星，中心和密度是我们的银河系100个一百万倍左右。假设你生活於M32中心的行星上，你会见到一个密布星光的夜光，光度比一百倍满月还要亮。科学家是由星星於该星系的活动，及其中心密度而推测的。此星系内之星星移动速度较其它一般星系每秒快了100公里。 齐来寻找黑洞吧！ 由於黑洞不能发出光线，体积又非常细小，所以是不可能用天文望远镜规测得到地的。但根据理论，如果一对双星中的伴星是黑洞，那麼主星的物质被吸引向黑洞而形成一个吸积环。由於吸积环的物质互相摩刷而引起高温，因而辐射X光线。於是，黑洞搜索者就将重点於X射线密近双星上。 1962年，人们探测所得，位於天鹅座鹅颈内有一股X射线，并将该源命名为是非常有可能是一黑洞。天鹅座X-1是一 X射线源，它的一颗子星 是超蓝巨星，那可能是黑洞而看不见的子星质量。 回答者：笑泉 - 经理 四级 1-19 16:13 -------------------------------------------------------------------------------- “黑洞”是一种天体：它的引力场强大得就连光也不能逃脱出来。根据广义 相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没 什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半 径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间 返回恒星表面。 等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表 面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像 宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真 正是“隐形”的，下面将会叙述。 黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒 星演化而来的。我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗 恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已 经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳 的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力 与压力平衡。 质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子 星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过 了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。 这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一 个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度 （史瓦西半径），正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向 外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。 与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无 法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎 么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传 播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯 曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线， 而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏 离了原来的方向。 在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围， 空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部 分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。 所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样， 这就是黑洞的隐身术。 更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它 方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能 看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！ “黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多 科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过， 这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。
