最近热映的电影《星际穿越》中，最震撼人心的莫过于科学家吉普·S·索恩指导制作的巨型黑洞模型。这是一个有着1亿倍太阳质量的巨型黑洞，它能够掀起附近小行星上的滔天巨浪，还能让时间变慢，一个小时等于7年。
关于神秘的黑洞，人们有许多想象，它出现在很多科幻小说乃至神话故事中，虽然人们一开始不相信它的存在，但如今黑洞的地位已经普遍受到认可。
它是一个有边界的无底洞，附近的任何东西都会掉进去，连最快的光也没法逃出来，它还能令时间和空间卷曲，核心是时空的终结。它还主导制造了宇宙中蔚为壮观、明亮夺目的吸积盘与喷流，光华绝代。关于黑洞，还有很多谜题没有解开。
恒星的诞生与死亡
松散的星云尘埃在万有引力的牵引下，经过漫长的坍缩形成了恒星。超过3.2倍太阳质量的超大质量恒星最终会成为黑洞
中山大学天文与空间科学研究院院长李淼介绍，黑洞是由大型恒星无法抵抗内部的引力之后坍缩形成的。
最早，松散的星云尘埃在万有引力的牵引下，经过漫长的坍缩形成了恒星。然而在恒星漫长的一生中，它都得与催生它的万有引力相抗争，直至迎来“最后的审判”。
年轻的恒星，其核心密度相对较小，通过降低整体引力势能，产生与引力相抗衡的热膨胀压力场，便能制止进一步的坍缩。这个过程中，恒星的核心温度也将越来越高，直到达到1500万度热核反应所需要的临界条件，恒星进入了成年期。
成年的恒星，防止坍缩所利用的是来自于氢原子的聚变产生的巨大热量。例如太阳内部每秒钟有质量为6亿吨的氢经过热核聚变反应为5.96亿吨的氦，并释放出相当于400万吨氢的能量。太阳燃烧自己的生命，并非只是为了带给我们光和热，更是为了防止其在自身引力下崩溃。
尽管热核反应消耗的氢与恒星整体含量比起来非常小，对于我们来说，它的寿命几乎无穷无尽，然而在宇宙学尺度上，几十亿甚至上千亿年之后，恒星终将消耗完所有的氢，迎来自己的中年。而恒星质量越大，坍缩趋势越强，氢燃烧的速度也就越快。
氢燃烧殆尽后，氢核反应也因此停止，恒星只剩下了氦核。这时，令外围物质向核心坍缩的万有引力没有遇到抵抗，恒星又开始了向内收缩的过程。就像恒星诞生时的坍缩一样，此时恒星的坍缩也会使得内部的温度继续升高。
接下来，不同质量的恒星将会有不同的生命历程。
恒星的质量若足够大，向内坍缩时内部的温度可以达到上亿度。在这样一个更高的数量级上，恒星内部的氦核开始了氦聚变，这种更高等级的聚变比起恒星青年时期的氢聚变更加耀眼，恒星燃烧氦的速度比燃烧氢要快上十几倍。高度积热的核心会向外喷射物质，造成恒星大幅膨胀，达到它青年阶段的数百倍大小，成为红巨星。
但也有一部分恒星的质量比较小，在这一阶段的坍缩中，不足以产生氦聚变。它们逐渐收缩变得致密，在热量逐渐挥发掉后，就会冷却下来变成白矮星。
印度裔美国天文学家钱德拉塞卡指出，质量小于太阳1.44倍的恒星将会演化为白矮星，大于这个上限的恒星将经过超新星爆发，变成中子星或黑洞。
后来的科学家证明，钱德拉塞卡是正确的，白矮星1.44倍于太阳质量的质量上限因此被称为钱德拉塞卡极限。恒星质量大于太阳1.44倍时，由于内部引力更加巨大，它会继续收缩，原子和原子核均被挤碎，带正电的质子与带负电的电子在强大引力作用下被结合成中性的中子，庞大星体收缩成为体积极小、质量和密度极大的中子星。
1939年，美国物理学家奥本海默提出，形成中子星的恒星也有一个质量上限，为3.2倍太阳质量，中子星的这个质量上限被称为奥本海默极限。
超过3.2倍太阳质量的超大质量恒星的结局则是黑洞。20世纪50年代，美国天文学家史瓦西认为，当超大质量的恒星的核心引力强到连中子也会被压碎，使光都不能外逸时，就会成为黑洞。
光不能逸出的这个边界就是黑洞的视界，通常意义上说的黑洞“大小”也就是指视界的周长，视界的大小与黑洞的质量成正比。1965年，距离地球约6000光年的天鹅座X-1双星系统被发现，系统中的一颗致密星体被认为是人类发现的第一颗黑洞。
无法逃脱的引力
在黑洞的核心，数倍于太阳质量的物质紧缩在被称为“奇点”的空间里，没有任何东西能逃脱奇点强大的引力
黑洞的形成宣告了引力的胜利。但引力称霸之后并没有就此罢休，反而更加兴风作浪。
没有人真的能够突破视界的阻隔观察到黑洞的内部是怎样的，宇宙中就好像存在着一位“监督者”，它禁止观察者知晓黑洞内部的秘密。在黑洞的核心，数倍于太阳质量的物质紧缩在比原子核还要小一万亿亿倍的空间里，这个小小的空间被称为奇点，没有任何东西能逃脱奇点强大的引力。
如果你驾驶一艘飞船飞向一个黑洞，远远地就可以看到，气体和尘埃从四面八方流入黑洞中，原子气体在进入黑洞视界之前，速度越来越快，发出越来越强的辐射，从红外线到可见光到紫外线到X射线、γ射线。进入视界后，它们的速度和辐射会更强，但再也无法逃脱视界的束缚。
李淼介绍，黑洞极大的引力扭曲了周围的时间和空间，这种扭曲在奇点达到最高。可以说，奇点内是空间与时间的终点。
因为时空受到巨大引力的扭曲，黑洞附近的时间流动得非常缓慢，产生的时间膨胀效应非常明显，就像《星际穿越》中，大黑洞附近米勒行星上的1小时等于正常时间的7年。
虽然黑洞背后的星光好像被遮挡住了，但黑洞的引力场像一面透镜，恒星和星系的光偏转绕过黑洞视界的边缘，在黑洞圆盘边缘又被聚焦成一条明亮的细环。每一颗朦胧的恒星在环上都有好几个像，这几个像分别是从不同方向绕过来的恒星的光。
当你越来越靠近黑洞时，再抬头看天上的星空，会发现星空被浓缩进了一个圆盘，四周都是纯粹的黑暗，这种感觉就好像是走进了一个洞穴，或者进入了井底往外看。这是因为黑洞强烈的透镜作用，本来位于水平方向的星体发出的光线，受到黑洞引力的强烈影响，偏折到了几乎垂直的位置，所以你能从头顶上看到它。
若投放一个机器人飞向视界去近距离观察同时发回信号，你会发现，越靠近黑洞视界时，机器人飞向黑洞的速度越快，在临界处，它发回的信号波长越来越长，到最后信号飞快地掠过电磁频谱，然后消失——机器人进入视界，再也没有任何信号能够发送出来。
而在奇点附近，潮汐力也变得十分活跃，它一会儿拉伸一会儿压缩，落入的物质连每个原子都会被扭曲破碎到不能识别。
《星际穿越》中，马修·麦康纳饰演的宇航员库珀进入了黑洞的视界中，但他却没有被撕碎，这有可能吗？李淼指出，实际上，如果不考虑黑洞附近足以杀死任何生物的高强度星际粒子，只考虑黑洞的潮汐力的话，这完全有可能的，只要这个黑洞足够大。
根据广义相对论，黑洞质量越大，视界外和视界上的潮汐力反而越弱。如果质量大10万倍，潮汐力将会弱100亿倍。这就意味着，如果黑洞足够大，比如达到太阳质量的十万亿倍，宇航员甚至可以到达奇点附近仍然存活，虽然下一秒钟他就会被立即撕碎。
这也是为什么在《星际穿越》中，质量为太阳1亿倍的黑洞卡冈图雅没有把附近的小行星米勒撕碎的原因。
旋转的“无毛怪物”
黑洞旋转速度最高可以接近光速。旋转的黑洞会带起时间和空间的扭曲，在时空中卷起龙卷风一样的涡旋
“黑洞是宇宙中最简单和最漂亮的物体。”尽管黑洞引力的威力超乎想象，我国著名的天体物理学家王永久却用如此温情的语言来描述它。这是因为黑洞所有的性质，如磁场、磁矩、物质结构等性质在形成黑洞时都已全部被抹除，只剩下质量、电荷以及角动量三个参数。
黑洞这种简单又深邃的特质被生动地称为“黑洞无毛”，这句由美国物理学家惠勒提出来的短语颇具玩笑意味，但却已经是正经的术语，可以简单理解为：黑洞吞没了自己所有的过去，人们不能靠测量黑洞最后呈现的性质来推断出它“前身”恒星的特征。
虽然仅剩三根“毛”，但黑洞却有着令人叹为观止的美丽性质。通过对这三个参数进行计算，可以得出视界的形状、引力作用的强度、偏转星光的能力、周围时空涡旋的细节和脉动的频率。
黑洞模型有4个基本形式：史瓦西黑洞，即无电荷、无转动的球对称黑洞；雷斯勒—诺斯特诺姆黑洞，即有电荷、无转动的球对称黑洞；无电荷、有转动的科尔黑洞；有电荷、有转动的科尔—纽曼黑洞。
李淼说，这三个参数中，电荷一般可以忽略不计，这是因为黑洞绝大多数都不带电。
角动量则最为迷人。黑洞并不是静悄悄的无底洞，它会旋转。角动量越大，意味着黑洞旋转的速度越快，最高甚至可以接近光速。旋转的黑洞会带起时间和空间的扭曲，在时空中卷起龙卷风一样的涡旋。
黑洞的旋转除了使时空产生涡旋，还会使视界变形。不旋转的黑洞视界是完美的球形，而旋转的黑洞会像地球一样，赤道相对于两极会凸出来，而且旋转速度越快，这种凸起就越明显。
旋转的黑洞吞噬其他星体时产生的吸积盘是宇宙中最为壮丽的景观之一。天文学家林登·贝尔提出，被黑洞引力所吸引的物质粒子流碰撞后结合在一起，在离心力的作用下围绕着黑洞螺旋式下落，在旋转中形成一个盘状物，就像是光华灿烂的星环。在吸积盘中，相邻粒子会相互摩擦，强烈的摩擦让吸积盘温度变得非常高，发出明亮的光芒，还能辐射强烈的X射线。
当一个旋转的黑洞正在一点点地吞食附近的巨大恒星时，场面变得更加瑰丽壮阔。被吞食的恒星通常是与黑洞组成双星系统的伴星，看起来就像是恒星流淌出了一条巨大的物质喷流，被牵引向黑洞，喷流在黑洞附近的空间涡旋里螺旋状落下，汇入吸积盘，直到最后注入黑洞的核心。
而当恒星、行星或小黑洞落进大黑洞时，能量让大黑洞产生脉动，视界也会内外波动，这种脉动产生了引力波，在宇宙空间向外传播，就像铃铛被敲响一样，传送着宇宙一隅的壮美乐章。
1969年，英国物理学家罗杰·彭罗斯发现，旋转的黑洞在周围空间漩涡里藏着旋转能，因为漩涡和它的能量都在黑洞视界之外，这种能量可以作为能源使用。这项了不起的发现刷新了人们的认识。
黑洞的旋转能非常巨大，如果黑洞高速旋转，它贮藏和释放能量的效率将比太阳所存的核燃料还要高48倍。彭罗斯甚至还计算出，如果有能力提取一个快速旋转的黑洞的所有旋转能，人们可以得到相当于29%的黑洞质量的可用能量。
宇宙六大极端黑洞
最大的黑洞
宇宙中已知质量最大的黑洞相当于太阳质量的180亿倍，这个庞然大物位于OJ 287类星体
最快的黑洞
迄今发现旋转速度最快的黑洞名为GRS 1915+105，以每秒1000圈的速度旋转
最近的黑洞
已知距离地球最近的黑洞在2.4万光年以外，为V4641 Sagitarii的双星系统成员
最远的黑洞
已知距离地球最远的黑洞位于600万光年远的NGC 300星系
最小的黑洞
宇宙中已知最轻、最小的黑洞XTE J1650-500仅相当于太阳质量的3.8倍
最年轻的黑洞
2010年11月，天文学家利用钱德拉X射线望远镜发现距离地球附近最年轻的黑洞，这个黑洞形成只有30年
巨型大黑洞与原生小黑洞
黑洞并不是宇宙孤僻怪异的孩子，相反，它一直在宇宙的演化、星系的形成中扮演着举足轻重的角色，尤其是黑洞中的“超级航母”——巨型黑洞。
20世纪60年代，人们发现了一种奇怪的天体，并非恒星也非星系更不是星云，距离地球非常远，可以达到100亿光年，但却稳定地发出强烈的光芒，质量比星系小几百万倍，亮度却能达到星系的成千上万倍，所以能被地球上的人类观测到。这种奇怪的天体被称为类星体。
科学家们相信，类星体的核心即是一个巨大的黑洞。巨黑洞就像一个超强的发动机，加热了周围吸积过来的大质量气状天体，所以才能发出这样强烈的光。这一吸积过程能够将物质质量以10%的比率转为能量，是热核聚变的20倍。
吸积过程通常伴随着物质的喷流。类星体3C273中心就是一个巨黑洞，它的质量约为太阳的20亿倍，两极垂直于吸积盘的方向喷射出两股灿烂的蓝色喷流，成为了宇宙中最为光辉灿烂的场景之一。类星体的喷流速度可以非常接近光速，可达数百万光年，并在如此大的尺度上保持准直，在几百万年内保持喷射方向不变。
周围路过的恒星不断被黑洞引力牵引过来，被潮汐力撕得粉碎，坠入黑洞的核心，但它们在进入视界前会喷射出巨量气体，这些气体成为类星体发光的气体吸积盘的补充。而类星体喷射出的物质也将可能形成恒星、行星乃至演化成一个完整星系。
巨型黑洞质量有普通恒星的几千乃至几百万倍，因此不可能是某个恒星坍缩而成。科学家猜测，在很长的时间内，因为引力的驱动，很多恒星被驱赶到了核心，这些恒星总计有上亿倍太阳质量。经过引力的吞并，恒星集团在中心合并形成了一个巨型黑洞。
黑洞家族里，不仅有巨型黑洞这样跨越数个光月的大块头，也有仅有原子核大小尺度的小黑洞。而且，黑洞也有自己的寿命——它会慢慢缩小，直到消失。
什么？不是所有的物质都无法逃脱黑洞的引力吗？黑洞难道不是一直吸收物质逐渐增大吗，为什么还会缩小？
1974年，英国理论物理学家霍金根据量子场论提出了黑洞“蒸发”的理论。这个理论是说，真空中不断产生虚粒子对，在黑洞周围，虚粒子对在湮灭前可能其中一个就会被吞进黑洞，另一个则逃脱。逃脱的正能粒子带走了能量，掉落的负能粒子量相当于减少了黑洞的能量，从外观看，就像是黑洞在辐射粒子。这就是黑洞蒸发现象，也被称为霍金辐射。
霍金辐射的理论表明，一个刚从星体的坍缩中形成的黑洞温度很低，随着黑洞的收缩和加热，辐射会越来越强，蒸发也会加快，最后当黑洞质量减少到仅有几千到一亿吨时，视界也会收缩到原子核大小的几分之一，黑洞将达到极高的温度，在几分之一秒内发生猛烈的爆炸。当然，这一过程非常缓慢。
霍金等人的计算还表明，从宇宙大爆炸中出来的小物质团可以产生原生小黑洞。在极早期的宇宙中，相邻的物质会将这些小物质团挤压成小黑洞。这些小黑洞的视界大概只有原子核的大小，重量为数亿到数十亿吨。自从诞生以来，这些小黑洞都在不断地“蒸发”，到如今，可能有的原生小黑洞已经蒸发完了，有的还在继续蒸发中。这种尺度的蒸发，已然相当可观。
原文链接：http://epaper.southcn.com/nfdaily/html/2014-12/08/content_7377543.htm
