黑洞是“黑”的吗？

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（本文出自《知识就是力量》杂志2015年11月刊《发现宇宙深处的超级黑洞》一文，作者：吴学兵、左文文，原创作品，转载请注明出自知识就是力量微信公众号）
200多年前，英国的米歇尔和法国的拉普拉斯就曾提出：一个质量足够大但体积足够小的致密恒星会产生强大的引力场，以至于连光线都不能从其表面逃逸，因此它对我们来说是完全“黑”的。但这一推论随后就被人遗忘，因为其所用的牛顿理论解决不了引力对光的作用问题。1915年爱因斯坦发表广义相对论不久，德国数学家史瓦西在静态和球对称假设下得到了爱因斯坦场方程的解，解在一个特殊半径（后称史瓦西半径）处存在奇异性。1939年，美国物理学家奥本海默等进一步用相对论证明确实存在一个“时间-空间”区域，光都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。这一区域的边界被称为视界，在静态球对称的情况下，视界半径就是史瓦西半径。如果某天体的半径小于史瓦西半径，那么该天体就应该是“黑”的，它自身无法被我们看到。物理学家们把这些非常致密、引力大而“看不到”的天体称之为“黑洞”。

迄今发现的最小黑洞，质量为太阳的3.8倍
我们在宇宙中能否真正找到这些神秘的“黑洞精灵”呢？天文学家的确已发现了许多不是黑洞的致密天体，如白矮星和中子星，它们是恒星演化到晚期时的产物，且都有一个质量上限，分别为1.4倍和3.2倍的太阳质量。如果在恒星演化晚期，能形成比中子星质量更大的致密天体，那它就可能是黑洞了。
我们银河系中一半以上的恒星都有伴星，即位于双星系统中。当双星系统演化时，其中一颗大质量的恒星在经历超新星爆发后会形成致密天体，它强大的引力会吸积从另一颗星流过来的物质，这些物质以螺旋状的轨道向里快速运动，并且变得非常热而在致密天体周围发出X射线光。天文学家通过分析这些X射线双星的观测数据，可计算出其中致密天体的质量。科学家对银河系内的一个致密X射线源天鹅座X-1的计算表明，其不可见致密天体的质量大约是太阳质量的10倍，因此它不可能是白矮星或中子星，只可能是一个黑洞。目前在银河系中已发现20多颗类似天鹅座X-1这样的黑洞X射线双星，它们的黑洞质量大约是太阳质量的4~20倍。
ps：虽然黑洞自身的确是“黑”的，但宇宙中的黑洞却不是无迹可寻的，黑洞可通过强大引力吸积附近的物质在它周围发光。这使得天文学家可以通过观测黑洞周围的物质来发现黑洞，并测量它最重要的物理参数——质量。