宇宙黑洞究竟是什么景象?黑洞究竟存在吗?

宇宙黑洞究竟是什么景象?黑洞究竟存在吗?

一个不带积吸盘的黑洞。图/麻省理工学院

人类在宇宙中已经辨识出了许多黑洞,既有恒星级黑洞,也有超大质量黑洞。恒星级黑洞多位于我们银河系内,超大质量黑洞多位于星系中心。超大质量黑洞的质量可以达到太阳的几百万甚至几十亿倍。

在银河系中心,有许多恒星围绕着一个质量为太阳四百万倍的不发光质心运行。这个质心名为“人马座A*”,通过对围绕着它运行的恒星进行测量,我们可以确定它是一个无可争辩的黑洞候选者。

宇宙黑洞究竟是什么景象?黑洞究竟存在吗?
银河系中心超大质量黑洞的所在位置。图/钱德拉X射线天文台

当我们靠近黑洞的视界,就会发生许多违反直觉的事,而一旦跨越视界,事情会变得更糟。不管是什么类型的黑洞,也不管飞船有多棒,一旦冲过那道看不见的屏障,就再也出不去了!

广义相对论是一位看守黑洞的严厉女管家。感谢爱因斯坦,今年我们之所以要纪念广义相对论发布100周年,部分原因就是它指出了黑洞及其质量,是如何使时空发生弯曲的。

宇宙黑洞究竟是什么景象?黑洞究竟存在吗?
图/SXS小组,Bohn等人,2015

当我们离黑洞很远时,空间的弯曲程度很小。我们无法将它产生的引力和其他天体,如中子星或普通恒星,甚至是气体云产生的引力相区别。时空虽然已被弯曲,但我们只知道那里存在着质量,无法指出质量的特性或分布情况。

然而在视觉上,我们却可以有与众不同感受。它不是中子星,不是恒星,也不是气体云,而是一个不发光的全黑球体。

这个球体名为视界,并不是一个实在的东西。它是一个有一定体积的空间区域。如果我们靠近黑洞,就会发现它像是太空背景上的一个全黑的孔洞,孔洞周围的光线是被严重扭曲的。

宇宙黑洞究竟是什么景象?黑洞究竟存在吗?
图/Ute Kraus,德国希尔德斯海姆大学Kraus物理学教学小组

一个质量相当于地球的黑洞视界半径非常小,只有大约一厘米;如果黑洞的质量相当于太阳,那么这个半径大约接近三公里。银河系中心超大质量黑洞的体积相当于一颗参宿四那样的红巨星。如果把它放在太阳的位置上,那么其边界可能会超越许多行星的轨道!

在距离很远的地方,黑洞的视觉特征没有什么特别之处。但是如果我们驾驶着一艘坚不可摧的飞船,携带着完美无缺的设备,逐渐靠近黑洞,那么情况就会变得越来越奇特。

在一般情况下,如果我们离物体越近,它看起来就会越大,并遵循一种简单明了的递增方式。但黑洞并非完全如此。由于空间的极度弯曲,因此当我们靠近黑洞时,它视觉体积的增长会异常迅速。

宇宙黑洞究竟是什么景象?黑洞究竟存在吗?
图/Andrew Hamilton

如果黑洞视界的大小相当于满月,那么它实际上看起来会比满月大四倍!这是因为随着我们离黑洞越来越近,时空的弯曲程度会越来越高,周围的星光会被严重扭曲,偏离黑洞边缘所在的区域。

当我们离黑洞只有几个史瓦西半径时,它会变得相当巨大,几乎能阻挡飞船前方的所有光线。而普通天体在这个距离上看起来可能只相当于我们向前伸长手臂后的拳头。

离黑洞越来越近后,飞船前方将会逐渐陷入一片黑暗,即便是后方,也将开始被黑暗笼罩。这同样也是光线在极度弯曲的时空影响下产生的结果,就好像点电荷靠近导体球壳时所形成的电场场线一样。

此刻我们还没有跨越视界,回头还来得及。引力传感器会告诉我们,在指向黑暗中心的地方,有一个明确的下降梯度。但在相反的方向上,仍然能够看到星光。

假如朝着视界继续向前,那我们就会发现,身后的星光将汇聚成一个很小的光点。在跨越视界前的最后瞬间,光点会在引力蓝移的作用下由红变白,由白变蓝。这是我们掉进黑洞前对外部宇宙的最后一瞥,宇宙微波和射电背景在此刻转化成了可见光。

更为糟糕的是,根据某些假说,无论我们如何加速试图离开黑洞,都会以更快的速度接近奇点!要活得更久——其实并不久——最好的方法是不要想着逃跑!