黑洞|诺贝尔物理学奖再次授予物理天体：黑洞到底有多神秘？
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以下内容为中山大学物理与天文学院副教授申荣锋演讲实录：
我今天跟大家聊聊黑洞是如何吞噬恒星的？我们都听说过黑洞的概念 ， 知道黑洞是不发光的 ， 任何光子也逃不出它的引力束缚范围 ， 黑洞不辐射便不能被看见 ， 如何去证实黑洞的存在？去寻找它在宇宙中什么地方呢？
X射线来自哪里？
这个要追溯到上世纪60、70年代的时候 ， 人类将X射线探测器发射到太空中 ， X射线就是我们用来照射X光的 ， 是能量特别高的光子 。
在那个时候我们发现 ， 太空中有若干个发射很强的X射线的源 ， X射线来源于什么地方？它不太可能来自一个普通的恒星 ， 因为恒星表面温度不够高 。
那就有一个猜测 ， 这可能是一颗双星 ， 其中一个是恒星 ， 另外一个是致密天体 。
恒星表面的气体 ， 可能被致密天体的强硬力场拉过来 ， 然后这些气体在致密星周围形成一个盘 ， 气体从这个盘向这个致密星中流动 ， 盘的温度会加热到很高 ， 所以它就有可能会发射很多X射线 。
但是这个不能告诉我们致密的天体就是黑洞 ， 因为还有其他种类的致密天体也可以产生这样X射线的发射 。
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关于这个问题 ， 其中某个X射线源是特别亮的 ， 叫做天鹅座X1 。 两位著名学家用这个源打了一个赌 ， 还设立了一个赌约 ， 其中一位是毕生研究黑洞的霍金 ， 另一位是前年获得诺贝尔奖的基普索恩 。
霍金说 ， 如果天鹅座X1被证实是黑洞他就输了 ， 否则他就赢了 。
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霍金与赌约
为什么设这样一个赌约呢？这是他做的双保险的策略 ， “虽然我是研究黑洞的 ， 但是如果证实这个天鹅座X1不是黑洞 ， 我就赢了 ， 至少能够打赢这个赌约” ， 赌约的赌值就是当时流行的杂志 。 最后天鹅座X1这个源被确认是一个真正的黑洞 。
如何测量及探测黑洞？
怎么知道它是一个真正的黑洞？要看致密天体的质量 ， 这些致密天体是怎么来的？
当恒星死亡时 ， 它的内核塌缩形成致密星 ， 如果要形成黑洞 ， 恒星的质量需要非常大 ， 最终黑洞形成的质量比太阳质量还要大3倍 ， 其他致密天体的数量要小于这个数值 。
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只要我们能够精确地测量致密天体的质量 ， 就可以知道它是不是黑洞 。 怎么测呢？
通过测量双星当中可见恒星的运动 ， 这个黄色的圈就是在黑洞周围形成的吸积盘 ， 在光学上 ， 你只能看到这颗大的恒星 。 通过测量它的速度随着时间的变化 ， 就可以知道这个致密星的质量 ， 最终测量到天鹅座X1这个黑洞的质量是太阳质量的14倍 。
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这类双星中的黑洞代表的是一类质量级别的黑洞 ， 我们称为“恒星质量级”黑洞 。 另外 ， 我们知道宇宙中有更大质量级的黑洞 ， 被称为“超大质量黑洞” 。 它们都处于星系的中心 ， 怎么去探测到它们呢？
这些星系的中心有很多气体存在 ， 这些气体实际上是一种提供给黑洞的食物 ， 如果这些气体往黑洞靠近的话 ， 将以盘旋的形式往中心旋进 。
右边的照片就是最近拍到的一个遥远星系的大质量黑洞 ， 这个就是叫M847的星系中心 。 中间黑色区域就是黑洞造成的阴影 ， 周围环状的就是这些气体盘旋形成的影像 。
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图片来源：网络
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通过吸积盘观测到黑洞
在我们生活的星系中也有一个超大质量黑洞 ， 通过长年累月观测银河系当中恒星的运动轨迹 ， 我们就可以精确画出这些恒星的运动轨道 ， 然后推算出这个黑洞的位置和质量 。
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恒星的运动轨道
黑洞如何吞噬恒星？
放眼宇宙 ， 我们几乎可以说每个星系都存在超大质量黑洞 ， 但是每个星系中并不一定存在大量气体 ， 因此大多数星系没有足够的“食物”供应 ， 黑洞就不会发光 。
绝大多数星系的黑洞都是处于“冬眠”状态 ， 我们怎么发现这些处于“冬眠”状态的黑洞呢？
大自然给我们提供了另外的方法 。 显示的动画是数值模拟 ， 图片的中心是一个黑洞 ， 一颗恒星运动到它的附近 ， 然后被完全拉碎了 ， 亮的区域就是被拉碎了的恒星的残骸气体 。
然后它们互相碰撞 ， 它们的轨道会变得越来越圆 ， 最终就会形成一个盘 ， 盘的辐射非常亮 。
这就提供了一种方法 ， 让我们能够探索到本身处于冬眠的黑洞 ， 这些黑洞会偶然吞噬一颗恒星 ， 这样突然提供食物和物质给它 ， 就会发光变得很亮 ， 我们就能探测到黑洞的存在 。
如果有这样的事情发生的话 ， 具体会分几个步骤呢？
第一步：恒星先被切开（潮汐瓦解） 。
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潮汐瓦解
就像吃面包一样 ， 它会被扯开 ， 这是通过黑洞的潮汐力来实现的 。 当恒星的质量运动到很大时 ， 会像面条一样被拉长 ， 然后恒星的组成物质就变得非常弥散 。
这种潮汐力是由于黑洞对恒星的引力 ， 在恒星的两面有差值造成的 。 这两面的差值也发生在地球和月亮之间 ， 地球朝向月亮或者是背离月亮 ， 所受到的引力是不一样的 ， 这就是地球上发生海水潮起潮落的原因 。
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第二步：咽下（吸积气体残骸） 。
这个恒星被撕碎以后 ， 它的残骸气体就重新返回接触、相互碰撞 ， 它们的轨道会变得越来越圆 ， 最终形成一个盘 ， 这些气体在盘里面流向黑洞 ， 被黑洞吞噬掉 。
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吸积气体残骸
第三步：打个饱嗝儿（产生耀发辐射） 。
气体在被吞噬掉的过程中会产生很强的电磁波的辐射 ， 在短时间内可以发出很强的光 。 我们称之为耀发的辐射 ， 就像黑洞吃了食物后会打饱嗝儿一样 。
我们探测到这些辐射 ， 就可以知道某一个星系的中心确实存在这样的黑洞 。
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产生耀发辐射
这种方法是英国剑桥大学天体物理学家马丁·里斯教授在三十多年前提出来的 。
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马丁·里斯
1988年至今 ， 我们共探测到大概30例潮汐瓦解事件 。
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5个代表性事例的亮度变化组成曲线
上方的图就是5个代表性事例的亮度变化组成的曲线 。
潮汐瓦解事件为何如此少见？
为什么至今为止探索到的事件这么少呢？因为恒星被潮汐瓦解的事件发生的几率非常小 。
恒星被黑洞的潮汐瓦解 ， 要求它离黑洞的距离必须非常近 。 而这些恒星原来距离黑洞的位置是非常远的 ， 最初这些恒星所居住的区域离黑洞的距离 ， 与它被瓦解时的距离 ， 这两个距离的比值是100万比1或者是1000万比1 。
一颗恒星运动到黑洞附近需要经过恒星与恒星的相遇 ， 这就相当于打台球一样的 ， 只是在这个过程当中 ， 恒星们没有碰到彼此 。 在碰到对方之前 ， 两者之间的引力已经把恒星的运动轨道改变了 ， 这就是引力散射的过程 。
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引力散射
这个事件的概率是非常低的 ， 就像你要将一枚硬币掷到十公里之外的路面的下水道口 ， 而这个下水道口是被盖子盖住的 ， 盖子上有一格格的空隙 ， 要在10公里外把这个硬币扔到下水道里面 ， 这个难度是非常高的 。
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我是怎么开始研究这种事件呢？那是2011年我在国外读博士后的时候 ， 天文学家发现了一件这样的事例 ， 它的代号叫Swift J1644+57 。 这是事例发生以后亮度衰减的曲线 ， 可以看到亮度随时间变化是逐渐衰减的 。
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辐射是来自气体形成的吸积盘 ， 这些物质在盘里往黑洞移动被吞掉的过程 ， 就是盘的质量逐渐衰减的过程 ， 当气体越来越少的时候 ， 它的亮度就变得越来越低 。
当这个事件勾起了我的兴趣以后 ， 我开始去思考盘里的物质是如何减少的？在里斯提出这个模型时 ， 他预测是一个连续衰减的过程 ， 就像图片所示 。
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但是我发现 ， 这个盘随着时间的演化 ， 里面气体的亮度不是光滑地在衰减 ， 而是有一个拐折 ， 就像下图的红圈显示的那样 。
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这个事件显示亮度会经过一个非常快的降低 。
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因为这个源很亮 ， 能被长时间观测到 ， 后续的观测结果如红圈显示 ， 确实表明它的亮度经过一个快速下降的阶段 。 我非常高兴能够看到这样的数据 ， 因为跟我模型的预测非常吻合 。
吸积盘的气体亮度为何会突然降低？
为什么亮度会突然降低呢？那是因为盘在随着时间演化过程中 ， 它会经历过三个不同的物理状态 ， 就像下图的曲线显示的 。 它分为三段 ， 中间一段是不稳定的状态 ， 当盘进入这个阶段就开始变得不稳定 。
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但是气体盘能够调节自己 ， 达到临近相对稳定的状态 ， 这个阶段对应的就是曲线最下面这一段 。 在这里气体往黑洞里流入的速度要比之前低得多 ， 这就使得盘的亮度变得很低 。
这个过程像是我们坐飞机降落一样 ， 在降落之前飞机平稳飞行 ， 但是由于高度下降 ， 大气层变得不稳定 ， 飞机会经历短暂的抖动 ， 飞行员不得不使飞机快速下降 。 等降到更低区域的时候 ， 大气会变得相对稳定 ， 所以后面的降落过程 ， 就会变得比较稳定和缓慢 。
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亮度随着时间衰变过程这个物理解释 ， 后续在其它三个潮汐瓦解事例中也得到了验证 。 其他三个瓦解事例在晚期也存在一个比较剧烈的降低 。
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恒星瓦解事例的过程是非常有趣的 ， 除了亮度衰减这个特征之外 ， 还有其他的过程值得研究 。
比如说黑洞如果是快速旋转的 ， 旋转的特性会影响气体回落形成盘的过程 ， 那在亮度变化曲线里面有什么特征？这也是非常有意思的值得研究的方向 。
另外在恒星被瓦解之前 ， 它会运动到离黑洞很近的地方 。 这个过程对应着会有更强的引力波的辐射 ， 这种引力波如同电磁波 ， 是一个全新的研究天体的手段 。 这也是一个关于潮汐瓦解事例有趣的研究方向 。
但是我们需要观测到更多这样的事例 。 因为这种事例是不太频繁发生 ， 需要我们在某一个时刻 ， 能够对大面积的天空同时进行观测 ， 这就是我们建造更灵敏而且观测区域更广的望远镜的原因 。
这是中国正在建造的爱因斯坦探针望远镜 。
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我们期待未来有更多这样的事例 ， 能发现更多的黑洞 ， 并且对黑洞如何进行潮汐瓦解的过程有更清楚的了解 。
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