《NASA自然百科：認(rèn)識(shí)宇宙》
NASA科學(xué)家寫(xiě)給大眾的宇宙通識(shí)課！
深?yuàn)W宇宙的極簡(jiǎn)說(shuō)明書(shū)！
從地球、太陽(yáng)系、銀河系，到宇宙深處，跨越137億年的宇宙旅行指南！
NASA哈勃、錢(qián)德拉和斯皮策三大太空望遠(yuǎn)鏡220幅全波段照片！
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2019年4月，包括中國(guó)等世界各國(guó)科學(xué)家和機(jī)構(gòu)通力合作，終于獲得了首張黑洞照片。黑洞是一個(gè)不容易理解的概念。黑洞究竟是什么？它既然看不見(jiàn)，連光都無(wú)法逃脫，人類(lèi)又怎么能給它拍照呢？專事于科普工作的NASA科學(xué)家金伯利·K.阿坎德在她的新作《NASA自然百科：認(rèn)識(shí)宇宙》中，對(duì)黑洞給予了非常通俗易懂的全面解釋。
要了解黑洞，先從恒星開(kāi)始。恒星消亡時(shí)才產(chǎn)生黑泂。在宇宙中，當(dāng)巨大的氣體和塵埃云團(tuán)坍塌時(shí)，其中央形成一個(gè)熱物質(zhì)內(nèi)核，恒星由此誕生，就像我們熟知的太陽(yáng)，這個(gè)誕生過(guò)程相當(dāng)漫長(zhǎng)。沒(méi)有進(jìn)入恒星核心的其他材料可能會(huì)變成行星、小行星和其他碎屑。我們的地球就是一顆行星。
圖注：這幅由藝術(shù)家創(chuàng)作的插圖展示了一顆巨大的幼年恒星被布滿塵埃的環(huán)緊密環(huán)繞的景象。
當(dāng)這個(gè)為期數(shù)百萬(wàn)年的誕生過(guò)程結(jié)束時(shí)，恒星就開(kāi)始通過(guò)一種名為核聚變的過(guò)程燃燒，或者說(shuō)發(fā)光。原子的核心被稱為原子核。核聚變是兩個(gè)原子的核心相聚或融合的過(guò)程。發(fā)生核聚變時(shí)，兩個(gè)原子核變成一個(gè)更重的原子核。與此同時(shí)，大量的能量會(huì)被釋放出來(lái)。
正是這個(gè)原子核碰撞并釋放能量的過(guò)程，為恒星提供了能量。當(dāng)我們說(shuō)一顆恒星在“燃燒”，指的就是這件事。在恒星整個(gè)生命的大部分時(shí)間里，這種燃燒過(guò)程涉及氫——宇宙中最輕也是最豐富的元素——聚變成氦的過(guò)程。我們的太陽(yáng)現(xiàn)在就處于這個(gè)階段。
它當(dāng)一顆恒星缺少用來(lái)在核心進(jìn)行核聚變的氫時(shí)（我們的太陽(yáng)在大約50億年內(nèi)都不會(huì)出現(xiàn)這種情況），事情就變得更有意思了。隨著核心的氫燃燒殆盡，那里不再產(chǎn)生能量。這會(huì)導(dǎo)致核心的緩慢坍塌和升溫。
然而，核聚變的過(guò)程依然在持續(xù)，只是轉(zhuǎn)移到了仍然還有氫的部位。這意味著核聚變開(kāi)始在核心之外富含氫的氣體層中發(fā)生，且在這個(gè)過(guò)程中為恒星提供能量。這時(shí)恒星進(jìn)入天文學(xué)家所說(shuō)的“紅巨星”階段。
圖注：這張由藝術(shù)家創(chuàng)作的插圖展示了一顆紅巨星的特寫(xiě)，它被一個(gè)充滿塵埃和氣體的圓盤(pán)圍繞著，頂部和底部還有一對(duì)噴流。
當(dāng)這一層的氫耗盡之后，紅巨星中的核聚變過(guò)程開(kāi)始將新創(chuàng)造出的更重的氦原子加入進(jìn)來(lái)。隨著核聚變過(guò)程沿著元素周期表不斷前進(jìn)，這些發(fā)生融合的氦原子變成了更重的元素，直到產(chǎn)生碳。
如果恒星的大小不足以產(chǎn)生融化碳的高溫，恒星就會(huì)卡在這里。原子無(wú)法被聚變成新的原子，碳和氧開(kāi)始在核心形成和聚集。隨著恒星的核心吸引越來(lái)越多的物質(zhì)，它開(kāi)始升溫。這會(huì)導(dǎo)致恒星的外層向外膨脹。
紅巨星階段并不總是一個(gè)平靜和連續(xù)的過(guò)程。相反，隨著核心中的核聚變開(kāi)始像耗盡汽油的汽車(chē)一樣噴濺，這顆恒星就會(huì)開(kāi)始不均勻地向外噴射物質(zhì)。這一階段的恒星圖像被稱為“行星狀星云”。
圖注：螞蟻星云（Ant Nebula）擁有行星狀星云典型的雙極形狀。一顆類(lèi)似太陽(yáng)的恒星將自己的物質(zhì)從外層噴射出去，直到核心暴露出來(lái)，釋放出照亮氣體的光。這張圖片結(jié)合了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的可見(jiàn)光數(shù)據(jù)（綠色和紅色）以及錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)的X射線數(shù)據(jù)（藍(lán)色）。
當(dāng)太陽(yáng)進(jìn)入這個(gè)階段時(shí)——距離現(xiàn)在還有幾十億年，所以不要擔(dān)心它會(huì)膨脹。這里所講的膨脹不是膨脹一點(diǎn)，而是膨脹得非常厲害。實(shí)際上，天文學(xué)家推測(cè)當(dāng)這件事發(fā)生時(shí)，太陽(yáng)會(huì)向外膨脹得非常厲害，以至于吞沒(méi)太陽(yáng)系的內(nèi)行星：水星、金星，甚至地球。
然后，我們的太陽(yáng)和它的同類(lèi)恒星將繼續(xù)以紅巨星的狀態(tài)存在，直到再也沒(méi)有任何可以釋放的外層物質(zhì)。留下來(lái)的將是一個(gè)密度很大的小型內(nèi)核，天文學(xué)家稱之為白矮星。由于沒(méi)有可以用于燃燒的燃料，白矮星只能漂浮在太空中，散發(fā)著剩余的熱量。這個(gè)過(guò)程會(huì)持續(xù)幾十億年，然后在某個(gè)時(shí)刻，這顆恒星最終會(huì)從一塊滾燙的余燼變得冰冷黑暗。
圖注：這張插圖展示了一顆恒星在一生中可能的變化路徑，從一顆類(lèi)似太陽(yáng)的恒星（左下）變成紅巨星（中上）、行星狀星云（最右），最終成為一顆白矮星。
對(duì)于像我們的太陽(yáng)一樣或者更小的恒星，變成白矮星的緩慢過(guò)程是它們漸進(jìn)而平靜的命運(yùn)，但是對(duì)于那些更大的恒星呢？簡(jiǎn)而言之，它們不會(huì)安靜地走向死亡。那是因?yàn)樗鼈兊暮司圩儾](méi)有因碳核聚變而停止，它們會(huì)繼續(xù)這個(gè)過(guò)程，制造出越來(lái)越重的元素，直到鐵元素被制造出來(lái)。
當(dāng)這顆恒星開(kāi)始將鐵聚變?cè)谝黄?，它就遇到了大麻煩。這是因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)鐵原子結(jié)合時(shí)，它們實(shí)際上吸收了能量，而不是像其他原子那樣釋放能量。這會(huì)引發(fā)失控的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致恒星冷卻，壓力陡然下降。這最終將導(dǎo)致整顆恒星的戲劇性坍塌。
當(dāng)這顆恒星坍塌到核心上時(shí)，它會(huì)反彈，將恒星的外層物質(zhì)全部拋射到太空中去。天文學(xué)家將這種爆發(fā)稱為超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)釋放出的能量如此之大，以至于它們的光芒可以蓋過(guò)整個(gè)星系。考慮到一個(gè)星系含有數(shù)十億顆恒星，這就讓人覺(jué)得更了不起了。
當(dāng)這些大質(zhì)量恒星經(jīng)歷超新星爆發(fā)時(shí)，仍然會(huì)留下恒星曾經(jīng)的核心。然而，這個(gè)核心的密度現(xiàn)在更大了，因?yàn)楹诵牡奶恢痹诶^續(xù)，直到所有電子和中子都被擠在一起，就像一群人正急于穿過(guò)出口卻無(wú)處可去一樣。這個(gè)被壓縮的天體被科學(xué)家稱為中子星，它的密度是如此之大，一湯匙中子星的重量就超過(guò)10億噸。
圖注：IC443是一個(gè)超新星遺跡，里面鑲嵌著一顆中子星（圖片中下部較亮的藍(lán)色斑點(diǎn)）。這張合成圖片中有三種不同類(lèi)型的光，包括X射線（藍(lán)色）、無(wú)線電波（綠色）和可見(jiàn)光（紅色）。
但是當(dāng)一顆恒星的體積極為龐大時(shí)，它的命運(yùn)會(huì)比壯麗的超新星爆發(fā)并創(chuàng)造出一顆中子星更加離奇。最大的恒星會(huì)繼續(xù)坍塌，直至形成一個(gè)黑洞。當(dāng)一顆恒星坍塌成黑洞，沒(méi)有任何東西能夠從它身邊逃脫——甚至光也不能。我們之所以能了解這些極端天體的存在，是因?yàn)槲覀兛吹搅撕诙粗車(chē)奈矬w以及黑洞通過(guò)它強(qiáng)大的引力對(duì)周?chē)h(huán)境所產(chǎn)生的影響。
圖注：數(shù)百年來(lái)，科學(xué)家們一直推測(cè)，某些恒星可能會(huì)坍塌變暗，它們的引力會(huì)變得極為強(qiáng)大，以至于沒(méi)有任何東西，就連光都不能從它們身邊逃脫。這些黑暗的恒星被稱為黑洞，如這幅圖所示。由于任何類(lèi)型的光都無(wú)法從黑洞逃脫，我們無(wú)法直接觀察到它們的樣子。但是有一種方法可以找到它們，那就是使用能夠探測(cè)X射線的望遠(yuǎn)鏡，尋找從旋轉(zhuǎn)向黑洞的熾熱氣旋中所散發(fā)出的高能輻射。
在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，黑洞一直被當(dāng)作科幻小說(shuō)的噱頭，但是天文學(xué)家有確鑿的證據(jù)表明它們確實(shí)存在。實(shí)際上，我們已經(jīng)了解到許多關(guān)于黑洞的情況。黑洞在吞噬周?chē)镔|(zhì)的時(shí)候，會(huì)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的吸積盤(pán)，旋向黑洞的大量物質(zhì)會(huì)猛烈撞擊摩擦，散發(fā)出巨大的能量，這種能量電波可以為地球上的射電望遠(yuǎn)鏡所捕捉。
但單個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡靈敏度和分辨率非常有限，很難探測(cè)。此次國(guó)際合作，就是通過(guò)全球多個(gè)射電天文臺(tái)的協(xié)作，構(gòu)建一個(gè)口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，使其功能提高到足以拍攝銀河系中心的黑洞。
圖注：這張圖片描繪了一個(gè)由大質(zhì)量恒星坍塌后所形成的恒星質(zhì)量黑洞。這個(gè)黑洞將一顆大質(zhì)量藍(lán)色伴星中的物質(zhì)拽向自己。這些物質(zhì)形成了一個(gè)圓盤(pán)（用紅色和橙色表示），圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，然后落入黑洞，或者以強(qiáng)勁噴流的形式重新定向，從黑洞噴發(fā)出去。
實(shí)際上，黑洞的確是看不見(jiàn)的，但我們可以通過(guò)它“吃東西”時(shí)發(fā)出的光，來(lái)獲得它的相貌。此次國(guó)際合作，收集的黑洞信息就有位于銀河系中心的“人馬座A*”，這個(gè)黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)的400萬(wàn)倍。人馬座 A* 很特別，它屬于我們的家園星系銀河系，距離我們這么近，與任何同類(lèi)型的黑洞相比，我們可以更容易、更詳細(xì)地研究它。它將幫助解答人類(lèi)對(duì)宇宙的疑惑，打開(kāi)探索宇宙的新世界。
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