筆者 東邪
如果説哪一種天體是宇宙中最特殊、最神秘的天體，很多人的答案應該是黑洞。雖然這種天體的名字我們在新聞媒體、社交平台上聽過不少次，但它對於人類來説還是保持着相當高的神秘感，因為目前人類能夠探測到黑洞存在的方法很有限，對黑洞的探測和研究很大程度上都是基於科學理論，因此未來人類在探索黑洞方面還有很長的路要走。
儘管人類掌握黑洞的信息並不多，但隨着科學家發現黑洞的一些特殊現象，逐漸掌握一些觀測黑洞的方法。比如在2017年4月的時候，一個國際科學組織首次公佈了黑洞的圖片。據瞭解，這些圖片的主角是來自M87星雲的黑洞，科學家經過兩年的數據處理才讓公眾看到黑洞的真實面貌。
實際上早在2007年的時候，有歐洲科學家在人造衞星的幫助下探測到黑洞發出的持續性輻射。經研究該輻射持續了1小時左右，而且信號頻譜具有周期性振盪的特點，科學家將它比喻成黑洞的“心跳”。那麼黑洞的“心跳”是怎麼形成的？它的發現對於研究黑洞來説有何幫助？
黑洞是如何形成的？
黑洞這個概念最早是由上世紀著名物理學家愛因斯坦、施瓦西等人聯合提出來的，但由於缺乏探測設備和技術，再加上當時天體物理理論的發展出現了瓶頸，因此黑洞一直是一種猜想。70年代之後，越來越多科學家對黑洞的研究促成了黑洞理論體系的建成，讓世人逐漸弄清楚黑洞的起源和發展脈絡。
黑洞的起源要先從恆星的起源開始講起，因為黑洞就是由恆星演化而來的。上百億年前宇宙中的原恆星星雲分別形成小質量恆星和大質量恆星，前者經過演化變成紅巨星，最後的終點是白矮星。後者由於質量超級巨大，中期演化成紅超巨星，然後通過超新星爆發演化成中子星或黑洞。
簡而言之，黑洞是由大質量恆星發生坍塌後形成的。任何恆星的起始階段都只含有氫元素的粒子，然後這些粒子無時無刻不在極高温、極高壓的環境下相互碰撞，最後產生了核聚變反應。所謂的核聚變反應，指的是兩個氫原子結合成一個氦原子的過程。不僅僅是氫原子可以參與反應，反應生成的粒子還可以繼續參與反應，因此形成了核聚變的鏈式反應。
核聚變在進行過程中會釋放出超強的能量，這些能量與恆星的萬有引力相互抗衡，以維持恆星的結構穩定。但隨着生成的元素越來越重，核聚變釋放的能量越來越少，當核聚變進行到生成鐵元素時，恆星內部就不再具有足夠的能量來抗衡自身的萬有引力，這時候就會引發恆星坍縮。對於小質量恆星來説，坍縮的結果就是中子星。對於大質量恆星來説，坍縮的結果可能是黑洞。
黑洞的“心跳聲”是怎麼發出的?
科學家第一次發現黑洞的“心跳聲”是在2007年，當時在歐洲宇航局的“XMM-牛頓”衞星的幫助下，他們發現了一個黑洞持續一小時發出了X射線輻射。這種情況在以往的黑洞觀測中是從未出現過的，因此科學家們密切關注該信號的情況。後來通過對X射線輻射進行頻譜分析，他們發現該信號最明顯的特點就是週期震盪。
最後因為探測路徑被太陽擋住了，信號也就中斷了。原本歐洲的科學家認為這次發現可能是史上的唯一一次，但沒想到11年後他們再次在XMM-牛頓衞星、雨燕衞星、核光譜望遠鏡陣列的幫助下再次發現了該黑洞的週期震盪信號，而且信號的頻譜幅度更高了。科學家將黑洞的這種特殊信號比喻成它的“心跳”，那麼這種“心跳”是怎麼產生的呢？
對此科學家表示，他們是通過監測黑洞的吸積盤發現了黑洞的週期性震盪信號，因此他們推測信號的形成與吸積盤有關。在2017年首次拍攝到的黑洞照片中，人們看到的黑洞類似一個“甜甜圈”，而甜甜圈能看到的部分就是黑洞的吸積盤。由此可知，吸積盤是一種圓盤狀結構，它是外界物質被黑洞吸引後形成的。
目前科學家已經在同一個黑洞中發現了兩次週期性震盪信號，這説明黑洞也能像其他天體一樣釋放出一些特殊信號，這些信號的本質就是宇宙輻射。科學家表示，通過對黑洞的“心跳”進行深入研究，有望獲得與黑洞相關的關鍵信息，例如物質尺度和結構等。
科學家如何判斷黑洞的存在？
經過數十年的研究，科學界已經總結出了幾種判斷黑洞存在與否的方法。第一種方法，觀察宇宙中的光線傳播是否會出現彎曲現象。愛因斯坦曾在廣義相對論中就預言了黑洞的一個特性，即大質量天體會產生強大的引力場，導致周圍時空發生嚴重彎曲，使得經過該區域的光線發生彎曲。黑洞就是這樣一種大質量黑洞，它的時空彎曲形成引力鏡效應，導致原本直線傳播的光線發生彎曲傳播。
第二種方法，觀測宇宙中是否有天體圍繞不可見的天體運動。一般情況下，天文學家在宇宙中都會觀測到兩顆或多顆恆星做相互圍繞的運動，這是因為它們之間的引力起到平衡作用。但也有一些恆星系統只存在一顆恆星，它的引力吸引行星圍繞着它運動，而它自己又圍繞着星系的中心運動，星系中心往往是一片黑暗，那裏很可能就存在一個超大質量黑洞。
第三種方法，通過捕捉宇宙中的X射線，由此判斷是否存在黑洞。這一方法是基於黑洞“貪吃”的特性，恆星等物質被黑洞吞噬時，會被它巨強的引力撕扯成氣體，這些氣體在黑洞視界外圍形成吸積盤，最終逐漸被黑洞吸進去。在未被黑洞吸進去之前，氣體在吸積盤裏面做高速旋轉的運動，導致氣體摩擦產生大量熱量，使吸積盤的中心區域温度足夠高，以促使X射線的產生。
第四種方法，通過“聽”的方式來發現黑洞，最關鍵的問題是發現引力波。引力波也是上世紀愛因斯坦預言的一種宇宙現象，它指的是兩個黑洞的合併會產生類似漣漪的痕跡。之所以説引力波像漣漪，是因為它產生後就像水面的漣漪一樣向四周擴散。2015年9月14日，人類首次探測到引力波的存在，證實了愛因斯坦的猜想。
那一次通過對引力波的研究，科學家發現它是兩個遙遠黑洞合併後產生的電磁波輻射。引力波的發現幫助人類叩開了研究黑洞的另一扇大門，從那之後引力波的探測就變成了科學家研究雙黑洞的重要方式。有科學家認為，未來使用更高精度的手段去探測引力波，將有助於人類研究黑洞內部的物質分佈。
太陽系周圍可能出現黑洞嗎？
黑洞是宇宙中最可怕的天體，它形成後無聲無息地將周圍的物質都吞噬掉，許多恆星都“死”得不明不白。在意識到黑洞的可怕後，科學家想知道太陽系周圍是否存在黑洞，或者説未來是否有可能會被黑洞吞噬。首先，太陽系附近出現黑洞的可能性只有一個，即大質量恆星演化到晚期後發生引力坍縮，從而形成黑洞。
根據科學家長時間的探測發現，太陽系周圍一百光年內都不存在這樣的恆星，因此我們不用過於擔心。如果真的要説宇宙中對太陽系的威脅的話，那麼在距離太陽系大約640光年的獵户座裏確實有一顆正處於紅超巨星狀態的恆星，它就是“參宿四”。根據天文學家近幾年來的觀測，參宿四的體積在不斷縮小，密度在不斷增大，這是紅超巨星即將發生超新星爆發的徵兆。
有科學家認為參宿四隨時都有可能爆發，而有些科學家的觀點則比較保守，認為它將是幾千年內人類所觀測到的最亮的超新星。那麼參宿四經過超新星爆發後會變成黑洞嗎？科學家表示它演變成中子星或黑洞的概率相等。六百光年的距離對人類來説非常遙遠，但如果參宿四變成了黑洞後迅速擴張，這段距離對它來説並不是問題。
如果太陽系周圍出現黑洞，人類該怎麼辦？
雖然現階段我們並不用擔心這個問題，但是這種充滿腦洞的問題還是值得討論一番。如果太陽系周圍出現黑洞，人類要麼坐以待斃，要麼全力一搏發展出能逃離太陽系的技術。不少科幻作品中都提出了逃離太陽系的方法，拋開它們的科學性不談，有些方法還是值得研究的，至少為科學家的研究提供了方向或思路。
例如《流浪星球》裏的故事，人類為了逃離膨脹的太陽，給地球裝上行星發動機，推動地球遠離太陽，你認為這種場景有可能實現嗎？評論區裏見！