黑洞会死亡吗？

天文学家米斯蒂·本茨想让你知道，黑洞不会吸东西。“它们不是宇宙吸尘器，四处游荡，把一切都吸进去，”她说。“它们只是像其他一切一样利用引力。”

黑洞并不是一根宇宙吸管，而是宇宙中质量极大、密度极高的地方，任何受到其巨大引力影响的物质都无法逃脱。

最近，黑洞频频出现在新闻中，从在我们银河系中心的超大质量黑洞附近发现的黑洞群，到有史以来观测到的增长最快的黑洞（每两天吞噬相当于太阳质量的物质），再到有史以来探测到的最远的黑洞（可追溯到宇宙的黎明时期）。从黑洞的诞生到它们可能在遥远的未来消亡，黑洞都是我们宇宙中令人着迷的一部分。下面是我们现在所了解的黑洞的故事，从开始到结束。

出生

恒星质量黑洞的生命始于死亡。当一颗质量至少是太阳 10 倍的恒星耗尽燃料时，黑洞便诞生了。恒星已将氢融合成氦，将氦融合成其他元素，从碳和氧一直到恒星核心深处的铁。由于有一颗沉重的金属心脏，它已经没有任何东西可以结合在一起。它已经到了寿命的尽头，然后爆炸，随着核心向内坍缩，外层在剧烈的爆炸中喷涌而出。

“如果那里的质量足够大——恒星中心质量是太阳质量的三倍——它就会坍缩成黑洞。我们称这些恒星质量黑洞为黑洞，因为它们的质量与恒星相似，”佐治亚州立大学天文学家本茨说。

黑洞的诞生与形成它的恒星的死亡之间的这种联系在整个宇宙中相当常见。恒星和黑洞紧密相连，尤其是在恒星形成高速进行的宇宙区域。

“在新恒星形成的地方发现死亡恒星其实很常见，因为质量最大的恒星寿命不长。它们会马上消失，”本茨说。“恒星的寿命取决于它的质量。质量最大的恒星寿命要短得多，因为它们会很快耗尽燃料。”

在本茨所说的“巨型回收计划”中，黑洞的形成实际上也可以引发新恒星的形成。当一群新恒星形成时，其中质量最大的恒星会很快消亡，并在其短暂的寿命结束时爆炸。“这些冲击波压缩了更多的气体和尘埃，导致更多的恒星开始形成。然后，其中质量最大的恒星将经历短暂的寿命并爆炸，这将发出新的冲击波并开始形成更多的恒星。正是这种恒星死亡导致全新恒星诞生的连锁反应，”本茨说。

但恒星质量黑洞只是整个图景中的一小部分。更奇怪的是超大质量黑洞，这种巨兽的起源更加不为人知。人们在包括我们自己的星系中心观察到了它们，而且它们形成的方式似乎与较小的同类略有不同。

“我们现在看到的超大质量黑洞的质量是太阳质量的百万倍或十亿倍。但它一开始并不是这样的，它一开始就比较小。所以问题是，它们是如何形成的，又是如何变得这么大的？”皇后区社区学院的理论天体物理学家 Jillian Bellovary 说。

天文学家知道，超大质量黑洞在大约 130 亿年前出现，而且发展得非常快。贝洛瓦里说，那时“我们已经看到质量是太阳数十亿倍的黑洞。我们知道它们在宇宙早期就存在了，这很奇怪，因为这么小的空间里有这么多质量，我们想知道它们是如何形成的。”

“这有点像先有鸡还是先有蛋的问题，”本茨说。“在宇宙的早期，我们可能只是通过密度过高区域的直接坍缩形成了黑洞。也许物质开始在引力作用下坍缩，然后一直坍缩成黑洞，并没有真正形成恒星或任何东西。”

另一种可能认为，超大质量黑洞可能起源于早期星系，因为较小的黑洞在婴儿星系中心形成并合并。

贝洛瓦里表示，这些早期超大质量黑洞的前身一开始可能都是中等大小，并且必须比单纯的恒星质量黑洞更大，后者无法在如此短的时间内快速生长以形成我们观察到的早期宇宙的庞然大物。

“超大质量黑洞必须有某种先发优势，形成时体积不能太小，因为这样它就没有足够的时间变得巨大。所以它形成时体积必须是中等大小。”贝洛瓦里说。

研究人员仍在试图弄清楚那些最初的黑洞是如何从早期宇宙的热气体和尘埃中形成的。通常，当这样的物质坍缩在一起时，就会形成恒星。因此，早期宇宙的化学成分可能有所不同，这有助于点燃那些最初的黑洞。

“早期宇宙中的气体可能仅由氢和氦组成，因为这些是宇宙大爆炸中唯一形成的元素，其他一切都是在恒星内部形成的。如果还没有恒星，那么就不可能有任何其他元素，”贝洛瓦里说。早期宇宙的化学性质以及气体的运动或缺乏运动可能有助于在早期引发黑洞的形成。

成长

黑洞不会永远保持原有的大小。黑洞之所以有如此糟糕的名声（这可不是它应得的），是因为掉进黑洞的东西永远出不来，而是被加到黑洞的总质量上，让它不断增长。

“无论是气体落到黑洞上，还是另一颗恒星被撕裂并落到黑洞上，还是一颗行星被撕裂并落到黑洞上，不管是什么，都会增加黑洞的质量。这种吸积过程会在很长一段时间内吞噬掉一些物质，这是黑洞在宇宙历史中成长的一种方式。”本茨说道。

“我们认为它们最有效的生长方式是吞噬气体或吸积气体，”贝洛瓦里说。“气体落入黑洞就像浴缸里的水流下一样：它会旋转并进入排水管。气体在黑洞中的行为类似。它受到黑洞的引力吸引，但它在移动，因此它开始变薄成黑洞周围的圆盘，最终落入黑洞。”

获取气体可能是最有效的增长方式，但黑洞并不回避合并。黑洞之间的碰撞最终以两个不可见的质量合并而告终，科学家可以通过先进激光干涉引力波天文台（LIGO）观察到这一现象，该天文台于 2015 年首次探测到两个黑洞合并产生的引力波（该发现于 2016 年公布）。

“这是我们第一次能够了解与光无关的宇宙事物。在此之前，我们一直依赖光和我们的眼睛。没有光，我们对宇宙一无所知。光对我们来说很奇妙，但现在我们第一次可以看到光无法看到的东西，比如黑洞合并，”贝洛瓦里说。“如果没有引力波，我们永远不会知道会发生什么。”

超大质量黑洞和恒星质量黑洞之间存在巨大的尺寸差距，根据各方面说法，应该存在中间黑洞——中等大小、符合“金发姑娘”标准、大小刚好介于较小和较大黑洞之间的黑洞。

唯一的问题是研究人员还没有观察到它们。

这并不意味着中等质量黑洞不存在，许多研究人员正在积极寻找它们。但它们很难用可见光探测到，不像附近的恒星质量黑洞，天文学家可以观察到恒星的撕裂，或者超大质量黑洞，它们吸收了如此多的气体、尘埃和质量，以至于坠落的碰撞粒子比我们在宇宙中看到的任何东西都更明亮。

本茨说：“中等质量黑洞引力较小，它们的亮度通常不会那么高。”预计它们还会发出更多 X 射线波长的光，而宇宙中已经存在其他占据该特定光谱的物体。

“很难将它们与其他东西区分开来，”贝茨说。“它们可能就在那里，只是我们很难找到那些我们可以说‘哦，当然，这次肯定是这个，现在每个人都可以相信它了’的东西。”

死亡

无论大小，黑洞在其存在过程中都会经历某些阶段——形成、成长。但它们会死亡吗？斯蒂芬·霍金认为这可能是可能的，通过一种现在被称为霍金辐射的物理机制。

这个想法是，如果黑洞独自存在（不再吸积质量），它最终可能会被亚原子粒子摧毁。本茨解释说，情况大致如下：在整个宇宙中，成对的亚原子粒子会紧挨着彼此出现。成对的粒子中有一半是粒子，另一半是反粒子，通常在它们进入宇宙后，它们会相互撞击并再次消失为能量。

“这只是能量转化为质量，再转化为能量的过程，时而存在，时而消失，”本茨说，“如果这种情况发生在黑洞附近，其中一半在黑洞内，另一半在事件视界外，而事件视界外的那一个可以远离事件视界——那么，它就从黑洞中偷走了一点能量，它可以跑掉并带走这些能量。”

如果这个过程不断重复发生，而没有更多质量加入黑洞，最终整个黑洞就会被辐射出去。但对于黑洞来说——无论是恒星质量、超大质量还是介于两者之间的任何质量——要造成影响都需要花费大量时间。

“即使你在宇宙诞生之初就创造了一个黑洞，宇宙中也没有足够的时间让黑洞消亡。第一批黑洞开始消亡需要大约 10^54 年的时间，”本茨说。

时间长得惊人，而且大质量或超大质量黑洞与亚原子粒子之间的尺度差异巨大，这意味着黑洞缓慢泄漏的霍金辐射不可能直接观测到。实验室对黑洞模拟物的实验表明，斯蒂芬·霍金的理论可能是正确的，但关于黑洞存在的潜在终结，我们仍有很多未知之处。

未解答的问题

事实上，我们对黑洞的总体了解程度仍有很多不足，但本茨和贝洛瓦里等研究人员正在努力填补我们理解上的空白。

本茨正在研究遥远星系中心的超大质量黑洞到底有多大。她还在研究黑洞的大小和它们所在星系的特性之间的相关性。她希望她的观察结果能为计算机模型提供信息，帮助人们弄清楚黑洞是如何随着时间的推移而发展的，并解答有关宇宙形成的问题。

贝洛瓦里正在研究激光干涉仪太空天线（LISA），这是一项计划于 2030 年代进行的任务，将有三艘航天器相距 250 万公里，沿着地球轨道运行。它将是一个太空引力波探测器——就像 LIGO，但专注于超大质量黑洞合并，而不是恒星质量黑洞合并。

“我对此感到非常兴奋，因为它将使我们洞察无法用光看到的事物，并告诉我们黑洞如何生长，它们多久会相互合并一次，它们是通过相互碰撞还是吸积气体获得质量，它们是如何形成的，有多少个黑洞，是否有一些黑洞在我们看不到的地方——所有那些我们永远无法用光来回答的问题，”贝洛瓦里说。

黑洞令人着迷，巨大无比，而且仍是未知数，但有一件事是研究人员可以肯定的。“它们并不危险。没有黑洞靠近我们，我们不需要担心它们，”贝洛瓦里说。“还有很多其他事情需要担心。”

本茨非常同意这一观点。她说：“它们虽然极端，但并不可怕。”面对人们对于黑洞在星系中穿梭吞噬世界和恒星系统的恐惧，她喜欢指出，如果你用一个质量完全相同的黑洞取代我们的太阳，地球轨道不会发生太大变化。“地球会像以前一样继续绕着它旋转。它会变得非常黑暗和寒冷。我们必须掉进黑洞才会被吞噬——如果我们掉进太阳，那也会很糟糕。”

“黑洞离我们太远了，所以并不危险。只有当你靠近黑洞时才会有危险——那时你就来不及了。”贝洛瓦里说。