北京時間 12 月 29 日訊息，據國外媒體報道，年復一年，黑洞研究領域一直在為我們提供一些令人震驚，同時又異常費解的發現。2021 年也不例外。在這一年裡，科學家們又獲得了許多關於黑洞的新發現，這些具有巨大引力的神祕天體仍在不斷推進我們對宇宙的理解。

旋轉速度最快的黑洞

即使是研究最深入的黑洞也會帶來驚喜。今年 2 月，物理學家們修正了對天鵝座 X-1（Cygnus X-1 ）系統中黑洞性質的估計，這也是有史以來第一個被證實存在的黑洞。天鵝座 X-1 系統的黑洞發現於近 60 年前，其質量比之前認為的要大 50%，達到太陽質量的 21 倍。而且，該黑洞的旋轉速度非常接近光速，創下了黑洞旋轉的新紀錄。天鵝座 X-1 距離地球約 7200 光年，是一個雙星系統，其另一成員是一顆藍色超巨星變星，正緩慢地被黑洞吞噬。對天鵝座 X-1 系統為研究人員瞭解這類過程提供了新的視角。

觀測並模擬麵條化的恆星

當一顆恆星太過靠近黑洞的邊緣時，引力會將它拉扯成長條狀，然後被黑洞吞噬。這個過程稱為“麵條化”（spaghettification，又稱“義大利麵化”）。當恆星物質因摩擦而升溫時，就會產生光，從而使天文學家得以捕捉到這一壯觀的現象。今年 5 月，研究人員首次發現一顆恆星被一個黑洞以這種方式撕碎併吞噬。該黑洞的質量是太陽的 3000 萬倍，位於一個距離地球 7.5 億光年的星系中心。除了獲得有關“麵條化”過程的重要資料外，這些觀測還幫助科學家們構建了恆星被吞噬的場景。

LIGO 證明了霍金是對的

今年 6 月，鐳射干涉儀引力波天文臺（LIGO）的研究人員探測到兩個巨大黑洞合併成一個實體的過程，並分析了黑洞高速向彼此旋轉時產生的時空漣漪 —— 引力波。他們發現，最終形成的黑洞的表面積比原先兩個黑洞的表面積加起來還要大。這些發現不僅為天文學家提供了驚人的資料，還幫助證明了英國天體物理學家斯蒂芬・霍金於 1971 年提出的一個猜想 —— 黑洞面積定理。該定理指出，黑洞的表面積永遠不會隨著時間的推移而減少。霍金利用愛因斯坦的廣義相對論和他自己對熵的理解，推匯出了這一定律。儘管新發現的結果對霍金來說是一個勝利，但卻讓物理學家們頭疼不已。根據量子力學，黑洞應該能夠收縮和蒸發，這一點與霍金的定理並不相容。如何協調二者的矛盾，物理學家們可能還有很長的路要走。

黑洞和中子星的合併

今年 6 月，LIGO 團隊的研究人員充滿信心地宣佈，他們第一次探測到了黑洞與中子星的合併事件。和黑洞一樣，中子星是大質量恆星演化末期經由引力坍縮發生超新星爆發後的潛在結局之一。儘管 LIGO 之前已經發現了黑洞-中子星合併的潛在證據，但直到今年，新探測到的兩個訊號才最終證明了這種合併正在發生。這兩次探測都發生在 2020 年 1 月，大約相隔 10 天。第一次探測的結果表明，一個約 6 倍太陽質量的黑洞正在吞噬一顆 1.5 倍太陽質量的中子星；第二次探測則涉及一個約 9 倍太陽質量的黑洞和一個兩倍太陽質量的中子星。

早期的黑洞會產生“風暴”

幾乎每個已知星系的中心都有一個超大質量黑洞，表明這兩個宇宙實體之間存在著緊密的聯絡。然而，科學家們仍然不清楚黑洞是如何影響它的星系宿主的。今年 6 月公佈的研究結果顯示，一個有著 130 億年曆史的星系 —— 幾乎和宇宙本身一樣古老 —— 正在吹出高速的風。這是目前探測到的最早期星系風的例子；當超大質量黑洞吞噬周圍的氣體和塵埃時，就會噴出星系風。此外，這些星系風以大約 180 萬公里 / 小時的速度行進，其移動速度之快，足以推動物質遍佈整個星系，並可能吹走星系物質，從而阻礙恆星的形成。這項研究表明，星系和它們中心的黑洞有著古老而緊密的聯絡。

光回波證明愛因斯坦是對的

史蒂芬・霍金並不是今年唯一在黑洞理論上獲得成功的人。今年 7 月，天文學家捕捉到一些 X 射線訊號，來自一個名為 Zwicky 的螺旋星系中心的超大質量黑洞。該星系距離地球約 18 億光年。研究人員不僅探測到了來自黑洞前部的光，還設法找出了他們最初無法確定的奇怪光回波。這些發現表明，巨大的黑洞引力使時空結構變得如此之扭曲，以至於光被從黑洞的一邊拉到另一邊。這一過程正是愛因斯坦在廣義相對論中所預言的，但此前還從未被明確探測到。

外星人可能利用黑洞的能量

只要有相關資料的支援，科學家們就不會缺少猜想。今年 8 月，中國臺灣的一組天文學家提出，技術先進的外星人可能會利用類似戴森球 —— 假想中圍繞恆星的巨型結構 —— 的結構，從黑洞中獲取能量。儘管黑洞通常被認為是黑暗的，但當它們吞噬周圍的物質時，會釋放出巨大的能量，這些能量會使溫度升高，並以光的形式輻射出去。於是，天文學家們提出了一個大膽的猜想：外星智慧生命是否會在黑洞周圍放置一個軌道平臺，上面覆蓋著類似太陽能板的東西，以吸收黑洞輻射出來的能量。由於黑洞比恆星小，因此可以使外星人節省建築材料，並使其收集到難以置信的巨大能量。

遊蕩的黑洞可能會在銀河系“定居”

在我們的銀河系外圍，可能潛伏著大約 12 個巨大的黑洞。這是今年 8 月一項新的星系碰撞模擬研究得出的結論。在諸如星系碰撞這樣的重大宇宙事件中，引力可能會導致質量為太陽數百萬或數十億倍的超大質量黑洞飛出宿主星系，並遊蕩到漆黑的宇宙深處。其中一些黑洞可能會最終定居在銀河系等星系的星系暈中。據估計，一個銀河系大小的星系平均擁有 12 個這樣的流浪黑洞。下一步，天文學家希望找到方法，對這些迷失的超大質量黑洞進行探測，以瞭解他們的模擬是否準確。

發現離我們最近的雙黑洞

去年 12 月，研究人員通過望遠鏡捕捉到了距離地球最近的雙黑洞的證據。這個雙黑洞系統位於水瓶座，距離地球約 8900 萬光年，彼此圍繞著對方旋轉。先前保持記錄的雙黑洞的距離是這一對黑洞的 5 倍，這也意味著科學家有機會比之前更詳細地研究這些系統。這兩個黑洞的質量都很大 —— 較大的擁有近 1.54 億倍太陽質量，較小的則是 630 萬倍太陽質量。它們以 1600 光年的距離圍繞彼此執行，在宇宙尺度中，這點距離微不足道。天文學家估計，它們將在 2.5 億年後合併成一個巨大的黑洞。

一個對其星系而言太大的黑洞

在一個距離我們約 82 萬光年的小型星系中，似乎有一個奇怪的存在。獅子座 I（Leo I）是一個比銀河系小 50 倍的矮星系，卻擁有一個大得出奇的黑洞，其質量幾乎與銀河系中心的黑洞相當。如此巨大的黑洞怎麼會存在於如此小的星系中呢？天文學家感到十分困惑。美國德克薩斯大學奧斯汀分校的天文學博士研究生 María José Bustamante 在一份宣告中說：“目前還無法解釋矮橢球星系中的這種黑洞。”這對黑洞和星系的演化意味著什麼？要準確地回答這一問題，天文學家們可能還要再等幾年。