你可以离一个黑洞有多近？

在这项新研究中，物理学家通过观察特定的辐射特征，计算出了避免落入黑洞的最近距离。这个阈值被称为“最内层稳定圆形轨道”（innermost stable circular orbit，简称ISCO）。利用这种方法，未来更灵敏的X射线望远镜或许能真正揭开这一轨道的神秘面纱。

事件视界

黑洞无疑是宇宙中最神秘的天体，他们隐匿在黑暗中，吞噬着一切进入的光线。无论体型大小，所有黑洞都有着共同的特征，这就是事件视界。越过这条线，你就再也回不来了。任何东西一旦穿过事件视界，即使是光本身，也不能再回到宇宙之中。这个区域内的黑洞引力太强大了。然而，在该区域以外，一切如常。

黑洞都具有一定的质量，有的只有数倍太阳质量，分布在较小的星系中；有的是太阳质量的数十亿倍，堪称宇宙中真正的“怪物”。环绕黑洞运转就像绕其他大质量天体一样。引力就是引力，轨道就是轨道。超大质量黑洞因为其强大的引力可以吸积运动到其附近的物质，如气体、恒星等。被吸积的物质通常拥有角动量，会环绕黑洞形成旋转的吸积盘或比较厚的吸积流，其中一部分物质最终会进入黑洞。因为黑洞的致密性与强引力，黑洞吸积过程会释放大量的引力能，转化为被吸积物质的动能，其中一部分动能会因为气体间的“摩擦”或磁场的作用耗散为气体内能。黑洞吸积过程可能是已知宇宙中能量转化效率最高的物理过程，其能量转化率是热核聚变能量转化率的数十倍。

因此，宇宙中的很多物质都围绕黑洞旋转。一旦这些“莽撞的冒险者”被黑洞的引力包围，它们就开始了向生命终点进发的旅程。当物质落入黑洞时，往往会被挤压成一个圆盘，称为“吸积盘”。这个圆盘不停地旋转，伴随着热量、摩擦、磁能和电能的释放，使其中的物质发出明亮的光。

以质量最大的黑洞为例，它们周围的吸积盘发出光如此强烈，以至于它们有了一个新名字：活动星系核（active galactic nuclei，AGN），其亮度能够超过数百万个单独的星系。在吸积盘中，物质块之间会相互摩擦，吸走各自的转动能，并将它们不断推向黑洞张开的事件视界。但是，如果没有这些摩擦力，物质就可以永远围绕黑洞旋转，就像几十亿年来行星绕着太阳旋转一样。

距离地球最近的黑洞

欧洲南方天文台（ESO）的天文学家取得了一项引人瞩目的发现——他们找到了迄今为止距离地球最近的黑洞。如果结论成立，南半球的人们甚至可以不借助观测设备，肉眼看见这颗黑洞所处的恒星系统。

这个神秘黑洞位于距离地球1000光年的金牛星座南部，该黑洞无法被观测到，它具有强大的引力，以至于没有任何物体，甚至是光，可以逃脱黑洞引力束缚。天文学家最初认为是一个双星系统或者两颗恒星环绕一个质量中心天体，当他们使用MPG/ESO2.2直径陆基望远镜进行深入观测，将该双星系统命名为HR 6819，同时令他们惊奇的是，他们还观测到第三个天体——黑洞。

虽然天文学家无法直接观测该黑洞，但他们能够依据黑洞与两颗伴星的引力相互作用来推断其存在。通过几个月的观测，他们能够绘制出恒星运行轨道，并推断出另一个巨大、看不见的天体在该双星系统中起到重要作用。

观测结果还显示，该双星系统中一颗每40天围绕这个无形天体一圈，而另一颗则在距离无形天体更远的区域独立存在。他们计算出该无形天体是一个恒星质量等级的黑洞，由一颗垂死恒星坍缩形成的黑洞，大约是太阳质量的4倍。

除HR 6819黑洞之外，距离地球最近的黑洞位于3000光年之遥的麒麟星座，但科学家分析仍可能存在距离更近的潜在黑洞，可能仅在银河系存在数百万个黑洞。

所以在我们附近，可能隐藏有更多黑洞。

气体的消失

然而，随着越来越靠近黑洞中心，你会到达一个点，在那里所有维持稳定的希望都将在引力的作用下破灭。此时你还在黑洞之外，尚未到达事件视界，但引力已经变得非常极端，以至于不可能有稳定的轨道。

去年发表的人类首张黑洞照片，让我们在黑洞边缘这样引力极强的环境下验证广义相对论。EHT此次公布的发现，来自梅西耶87（M87）黑洞。黑洞会在周围吸积气体的辐射构成的“背景墙”上投下一个剪影。之所以会形成这样一个“阴影”，是因为黑洞会把从它背后发出并射向观测者的光线全部吞噬。与此同时，从黑洞背后发出又刚好擦过视界的其他光线，会使“阴影”周围增亮而形成一片明亮区域。强大的引力透镜效应会弯折光线，就连处在黑洞正后方的物质发出的光线，都能被弯折到黑暗区域的周围贡献一部分“光亮”。

一旦到达这一区域，你就不可能停留在平静的轨道上，而是只有两个选择：你可以借助火箭或其他能源将自己推到安全的地方；而如果你是一团倒霉的气体，那就只能自由落体，落入无尽的黑暗之中。

当然，爱因斯坦的广义相对论也预言了最内层稳定圆形轨道的存在，不过，尽管广义相对论在预测和解释宇宙现象方面取得了成功，我们也确信黑洞是真实存在的，但科学家还从未证实最内层稳定圆形轨道的存在，以及它是否符合广义相对论的预言。如今，天文学家从落入黑洞的气体中找到了一种可能验证该轨道存在的方法。

舞动的光线

一个天文学家团队描述了如何利用即将消失的光线来研究最内层稳定圆形轨道。他们的方法依赖于一种名为反响映射（reverberation mapping）的天文学技巧，利用了黑洞周围不同区域以不同方式发射光线这一特性。

当气体从吸积盘流出，经过最内层稳定圆形轨道（吸积盘最里面的部分），进入黑洞本身时，会变得非常热，并发出大量高能X射线。X射线从黑洞向四面八方发射。我们可以从地球上观测到这些辐射，但是吸积盘结构的细节在X射线的光芒中消失了（对吸积盘的更多了解也将有助于天体物理学家了解最内层稳定圆形轨道）。

同样的，这些X射线也能很好地照亮吸积盘以外主要由冷气体团组成的区域。冷气体被X射线激发，也开始发光，这一过程称为荧光。我们同样可以探测到这种辐射，并将其与黑洞最近区域发出的X射线区分开。

光从最内层稳定圆形轨道和吸积盘外部传播到冷气体团需要一定时间；如果我们仔细观察，首先可以看到中心区域（最内层稳定圆形轨道和吸积盘最里面的部分）的闪光，不久之后，最内层稳定圆形轨道外侧和吸积盘周围就会立即出现明亮的“反响”。

这些反射光的出现时间和细节都取决于吸积盘的结构，天文学家以前曾用反响映射来估计活动星系中心超大质量黑洞的质量。在这项最新研究中，研究人员使用复杂的计算机模拟来观察最内层稳定圆形轨道内部气体的运动，即气体在最终落入黑洞事件视界时如何消失，以及这反过来又如何影响附近和外部气体中发射的X射线。

尽管目前的望远镜还没有足够的灵敏度对这些气体进行测量，但下一代X射线望远镜应该能够确认最内层稳定圆形轨道的存在，并验证它是否符合广义相对论的预言。

黑洞将会通向何处？

如果能够穿越黑洞，你会去往哪里？会有什么等待着你？如果你能安然无恙地回来，又能讲述什么有趣的故事呢？

所有这些问题都可以用一句简单的话来回答，那就是“谁知道呢？”在科学技术日新月异的今天，黑洞的奥秘依然深不可测。落入事件视界之后，实际上就是越过了一层屏障。一旦有人掉下去，就再也不能把信息传回来了，他们会被巨大的引力撕成碎片。所以理论上，任何穿过事件视界的人不会去往任何地方。

这听起来似乎是一个令人失望和痛苦的答案，但其实也在意料之中。爱因斯坦的广义相对论将时空与引力作用联系起来，预言了黑洞的存在，后来的研究表明，黑洞是由质量足够大的恒星死亡所产生的。恒星死亡之后，会留下一个小而致密的残余核心，假设这个核心的质量约为太阳的三倍以上，那么引力就会使其坍缩，成为一个点，称为“奇点”（又称引力奇点或时空奇点），这是一个体积无限小、密度无限大、引力无限大、时空曲率无限大的点，被认为是黑洞的中心。

由此产生的黑洞具有极其强大的引力，甚至连光线都无法逃脱。因此，如果你发现自己处于事件视界时，你就注定无处可逃。德国天文学家卡尔•史瓦西（Karl Schwarzschild）计算得出，如果某天体的全部质量压缩到很小的“引力半径”之内，那么其所有物质、能量（包括光线）都将被引力囚禁在内。从外界看，这一天体就是绝对黑暗的存在，也就是黑洞。事件视界就是黑洞周围的时空曲隔界线，光和物质只能向内通过事件视界。根据梅西的说法，潮汐力会把你的身体缩成原子链的形式（也被称为“意大利面化”），并最终会在奇点处被压碎。你或许会想在黑洞的另一端逃出来，但这似乎完全是幻想。（任天）

来源：livescience

作者： 保罗·萨特 （天体物理学家）

编译：任天