OSMO:黑洞的事件视界里发生了什么，它的生长与星系的演化有何关联？

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本文参加百家号科学Billions项目组系列征文

作者：文/虞子期

黑洞，作为任何事物都难以从其事件视界中逃脱的天体，拥有无法比拟的巨大引力，以至于该空间中的时光曲率甚至大于光速。尽管科学家们至今也无法实现对黑洞进行直接观测，但这并妨碍它成为我们最感兴趣的宇宙存在体之一。通过观察其吸积盘周围所散发出的热量和辐射发现，在绝大多数星系的中心，都隐藏着一个我们看不到的超大质量黑洞，并且，它们本身的质量也存在着较大的差距。比如，科学家们通过星系GSN069中心的强大X射线爆发，意外发现了其中超大质量黑洞吞噬物质的特殊规律。那么，在黑洞的事件视界里到底发生了什么，黑洞的生长与星系的演化又有哪些密不可分的联系？

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具有特殊吞噬规律的超大质量黑洞

在星系GSN069的中心，科学家们发现了一个定期消耗大量材料的超大质量黑洞，其吞噬物质的时间周期大约每次间隔9个小时。在此之前，研究人员仅在两个“恒星质量黑洞”中观察到过这一现象，而这个与地球相距2.5亿光年的黑洞，其质量达到了太阳质量的40万倍左右。简而言之，该黑洞每天所吞噬的物质相当于12颗卫星，而每一次的材料消耗都达到了大约100亿。科学家们将这样的现象称为X射线准周期性喷发，并对其具有特殊周期性爆发的事件，进行了长达54天以上的追踪，提供了超大质量黑洞中流入物质后反复减速和加速的观察机会。在黑洞的爆发期间和安静期间，X射线的亮度差异达到了20倍左右，而气体温度也从安静时期的大约100万华氏度上升到了爆发时的250万华氏度左右。

清华大学夏莹：元宇宙实际上是资本之流构筑的虚假黑洞:12月13日消息，清华大学哲学系教授夏莹在澎湃新闻“哲学家谈元宇宙”系列访谈中表示，元宇宙实际上是资本之流构筑的虚假黑洞。资本正在借助于元宇宙进一步让人们的生活服从于他们给出的基础逻辑和生活方式，其所带来的并不是一个真正的解放，而是更为深度的异化。

夏莹就此发出警醒，资本逻辑在今天已经逐步摒弃了它的作为简单商品生产的运行逻辑，它们的获利方式不再仅仅依赖于对某一特定产品的生产，转而成为一个巨大的无器官身体，依赖于一种流动本身来获利，可以投注于任何一种商品，或者投注于一个概念，只要这一商品和概念能够带来更多的剩余价值。金融资本如同一个巨大的网络平台，而元宇宙正是当下对这一网络平台最好的诠释。（澎湃）[2021/12/13 7:35:58]

科学家们认为，之所以黑洞能够发出如此强烈的X射线，是因为其已完全撕裂、又或是正在逐步消耗材料。尽管，黑洞在消耗了物质之后产生了气体并不是什么新的发现，但是，或许你有所不知，由于很难将这些热气体与黑洞周围的物质盘关联起来。因而，它们的起源本身就是一个困扰已久的谜团，只有通过研究这样的超大质量黑洞，才能得以获取这些反复消失和形成的热气体的重要线索。而星系GSN069中黑洞所呈现出的异常规律性，很可能意味其中的循坏在重复，当盘中的能量积累到使它变得不再稳定，物质便开始迅速落入该黑洞中产生爆发，而这一切，都与黑洞的事件视界密切相关。

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在黑洞事件视界里到底发生了什么

事实上，黑洞的事件视界，指的是某个物体需要超过怎样的速度，才能逃脱来自黑洞的巨大引力，以避免自身被撕裂的命运。就其本质而言，它与物体的逃逸速度直接相关，它就像是黑洞周围的一个“阈值”，且逃逸速度必须超过光速。当物体和黑洞之间的距离越来越近，那么，想要不被这股巨大引力牵扯、所需要的速度值也随之变得更大。然而，从狭义相对论来看，并没有什么物体可以在穿越太空的时候，达到比光速更快的速度。也就是说，任何事物都难以从黑洞的事件视界返回，这同时也意味着，我们无法目睹在此边界中发生的一切。其实，一个黑洞能产生的引力强度，会由其本身的质量，以及它与物质之间的距离一起决定，当质量大致相当的时候，拖船越强大、便意味着距离越靠近。

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而黑洞的事件视界大小，则完全取决于该黑洞本身的质量，我们可以通过一组数字来具体感知。比如，当一颗地球般大小的星球被压缩为黑洞，那么，它将成为一个比硬币略小、直径大约只有17.4毫米的黑洞；而当太阳一般大小的恒星也被压缩为黑洞，那么，它就像一个村庄一样、可以成为一个直径5.84公里左右的黑洞。当然了，科学家们平时所观察到的黑洞都远比这两个大得多，比如，位于我们银河系中心的超大质量黑洞射手座A*，其直径便达到了1270万公里左右，且它的质量更是太阳质量的大约430万倍。

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科学家们在对黑洞进行长时间研究之后，假设条件从无旋转行为演变为通常都会旋转，而关于黑洞的奇点的定义，也随之从最基本模型中的一个具体的点，转变为目前模型中无限细的环。因而，旋转黑洞中的事件视界也应该是椭圆形，其周围的时空因为拖拽效应而随之旋转，并且，其事件视界也被分为了内部事件视界和外部事件视界两个部分。就物质到能量的转化这个角度而言，黑洞的旋转特性可以使其对落入其中的物质进行更有效的转化，而它可以通过转化得到的能量，足以达到物质本身质量的42%。众所周知，几乎所有大型星系的中心，都存在着超大质量黑洞，它们的能量可以对该星系的演化带来重大影响，因此，了解黑洞周围的环境，以及它的生长与星系演化之间的关系，对于解答宇宙中的众多疑惑而言都是至关重要的。

黑洞的生长和星系的演化密切相关

为了对黑洞增长与星系质量之间的关联有准确认知，科学家们使用了GOODS超过30000个星系的数据，并结合了通过COSMOS获取到的500000多个星系世界。从这些和地球相距43到122亿光年远的星系来看，那些更大的星系能够相对更有效的滋养黑洞的生长，因而，那些较大的星系也会产生质量更大的黑洞。与此同时，科学家们再次将目标范围缩小到与地球相距不超过35亿光年的星系，并通过对这72个明亮星系团的研究发现，这些黑洞的实际大小比通过传统方式所预测的要大十倍左右。简而言之，星系和其中的黑洞的成长，并不会永远都是一个看上去很匹配的集合。

在对黑洞和星系进行的相关研究中，科学家们都将两者之间的关系作为重要的一个内容部分，而其中的原因主要有两点。其一：星系的形成规律，可以通过黑洞和星系之间的任何恒定关系得到更好的解释；其二：科学家们可以根据其中一个的大小，计算得出另一个的质量，比如，确定该星系中超大质量黑洞的质量。虽然，较星系的整体大小而言，黑洞会显得相对更加渺小，但黑洞的生长却与星系的大小密切相关，黑洞的生长会因为星系的质量越大而速度越快，而那些最大的黑洞的生长速度，甚至会超过其星系本身。比如，在X射线光下的HerculesA星系中心，该星系中的黑洞在吞噬物质时产生了巨大的紫色云，而这个超大质量黑洞的大小，甚至达到了银河系中心的黑洞质量的1000倍左右。

关于黑洞的早期理论和现代观念

早在1783年的时候，业余天文爱好者牧师约翰·米歇尔就意识到，对于那些足够大、且紧凑的物体而言，逃逸速度将远不止于光速。于是，他基于艾萨克·牛顿定律的重力，提出了“黑暗的恒星”这个想法，这是一颗会具有特殊发光方式的恒星，光线也会因为被拉向恒星而无法逃脱。然而，被普遍认为首次提出暗星想法的人，他是皮埃尔·西蒙·拉普拉斯，他在几年之后也独立得出了相同的结论。而黑洞的现代观念，则利用了爱因斯坦的广义相对论，由德国天文学家卡尔施瓦兹希尔德所开发，即：当物质被压缩到某一点、并被球形区域包围的时候，包括光在内的任何物质都不再具有逃脱的能力，而这一的限制区域被称为黑洞的事件视界。

黑洞具有电荷、旋转和质量这三个参数表征，也可根据质量将其分为原始黑洞、恒星质量黑洞、中间质量黑洞，以及超大质量黑洞四种主要类型。而从黑洞的旋转和电荷这两个属性的角度来看，黑洞又可以被分为静态黑洞、克尔黑洞，以及带电黑洞三种。简单的从理论模型来看，似乎黑洞可以自形成以后永远持续生长，但黑洞也会有自己的寿命，它们最终都会因为霍金辐射而蒸发，而其中质量相对更小的黑洞会具有更快的蒸发速度。由于辐射也不能逃脱黑洞的极端引力，因此我们很难获取黑洞的观察证据，只能从高能现象、以及附近物体的运动中获取推断信息。