时空弯曲的神秘漩涡
美国航天局在其华盛顿总部电视演播室举行了近40分钟的新闻发布会，宣布美国航天局发射的钱德拉X射线太空望远镜发现了一个黑洞。这个黑洞大约是太阳质量的5倍，是由一颗大约是太阳质量20倍的恒星的超新星爆炸形成的。它的特点是它是人类历史上发现的最年轻的黑洞，只有31岁。这让科学家们兴奋不已——因为这是人类历史上第一次看到黑洞的诞生，也是第一次观察黑洞从诞生到现在的整个成长过程。这一发现有望为科学家研究黑洞是如何从“婴儿”状态演化而来提供一个独特的机会。
围绕这个新闻，人们不可避免地会问一系列问题:什么是黑洞？他们有什么奇怪的？他们是怎么出生的？我们如何“看到”他们？为什么这个观察如此重要？还有:为什么天文学家对黑洞如此感兴趣？本文将试图逐一回答这些问题。
什么是黑洞
黑洞就像宇宙中的“怪物”。任何物体，包括光子，都无法逃脱它的引力“魔掌”。
黑洞，仅仅从这个名字，就让人感到神秘。事实上，即使在天文学家眼中，黑洞也是宇宙中最不寻常的天体。要引入黑洞，我们必须首先从“逃逸速度”开始。
当火箭从表面发射到太空时，为了逃离恒星的引力，火箭的速度必须大于临界速度。只要它的速度比这个速度快，物体就不能再落到恒星上或绕着它旋转，而是可以*地飞向更远的外层空间。因此，这个速度被称为“逃逸速度”。地球的逃逸速度约为每秒11公里，而太阳表面的重力比地球强得多，所以太阳的逃逸速度约为每秒600公里。然后，如果有这样一个物体，它的表面重力如此之强，以至于逃逸速度等于光速——宇宙中最快的速度。此时，任何物体，甚至光子本身，都无法逃脱物体的“引力魔爪”——这个物体是一个黑洞。
“黑洞”这个术语是美国物理学家惠勒在1967年发明的。早在18世纪，博学的米切尔和著名的数学家、天文学家拉普拉斯就提出了“黑洞”的概念。但这些想法并不是严格意义上的，因为它们都是基于牛顿力学，而且我们现在知道，当引力非常强时，牛顿力学不再适用，应该被爱因斯坦的广义相对论所取代。因此，直到上世纪初，爱因斯坦发现了广义相对论，黑洞的存在才被严格证明。
广义相对论预言的黑洞由两个基本结构组成:黑洞的中心是一个“奇点”，所有物质都集中在这里，因此密度是无限的。当然，现代科学认为广义相对论本身不是终极理论，需要发展。具体来说，它应该与量子力学相结合。这样，奇点将不再是没有体积的点。在奇点之外，黑洞有一个被称为“地平线”的“表面”，它也是黑洞的“半径”。地平线可以被视为黑洞的“影响范围”。一旦进入地平线，包括光在内的所有物体都无法逃脱。不同质量的黑洞有不同的视界。如果黑洞的质量等于地球的质量，那么地平线只有2.5厘米。换句话说，如果地球要变成黑洞，它必须缩小到乒乓球大小。如果太阳变成一个黑洞，它将从目前半径70万公里的巨大火球变成半径只有3公里的球体。
宇宙天体的兴衰
超新星爆炸和大质量恒星的伽马射线爆发产生了黑洞。
宇宙中的天体会像地球上的生物一样经历出生、成长、衰老和死亡。广义相对论预言黑洞是大质量恒星死亡后的“碎片”。具体来说，黑洞是在质量大于太阳20倍的恒星死亡后形成的。
引力无处不在，当然，恒星的各个部分之间也有引力。然而，恒星之所以能保持一个更大的球体而不被万有引力“塌缩”，是因为有其他力量与引力竞争，万有引力是恒星内部热核反应产生的加热气体产生的膨胀压力。热核反应的基本过程是将较轻的氢元素结合成较重的氦元素，在这个过程中会释放出大量的热量。当核燃料逐渐耗尽时，恒星也开始老化并濒临死亡。这时，气体会很快冷却下来，气体抵抗重力的压力会大大降低。结果，恒星会在强大的万有引力作用下迅速向中心坍缩并缩小尺寸。在坍缩过程中，会形成一个反弹冲击波，在反弹冲击波的作用下，恒星外层的气体会爆炸，将部分气体喷向太空。
下一步的命运取决于原始恒星的质量。如果原始恒星的质量更小，不到太阳质量的10倍，那么当恒星收缩到一定程度时，一种叫做“电子简并压力”的力可以与重力竞争，恒星就停止坍缩。此时形成的恒星被称为“白矮星”。这颗恒星表面仍有少量可燃物质，但温度很高，所以颜色是“白色”。此外，这种形式非常小，也就是“非常短”，所以它被称为白矮星。
如果爆炸前恒星的质量相对较大，大于太阳质量的10倍但小于太阳质量的20倍，引力将会更强，那么电子简并压力无法与引力竞争，恒星将会进一步坍缩。这时，另一个力——“中子简并压力”出现并起作用，它能与重力达到平衡。然后恒星停止坍缩。此时形成的恒星被称为“中子星”。中子星中的大部分物质是由中子组成的，中子和中子之间的间隙非常小，所以中子星的密度非常大:它的半径只有10公里，但它的质量是太阳的两倍！
如果爆炸恒星的质量高于太阳质量的20倍，引力将会非常强大，即使中子简并压力也无法平衡它，所以恒星只能无限期地坍缩并变成黑洞！这次发现的黑洞的前身是一颗质量约为太阳20倍的恒星！
详细的研究表明，对于质量大于太阳20倍的恒星，尽管它们进化的最终结果是黑洞，但有两种截然不同的具体表现:一种是超新星爆炸，另一种是伽马射线爆发。恒星的确切命运取决于它最初的物理状态，比如它旋转的速度。超新星爆炸发生在缓慢旋转的大质量恒星死亡后，而快速旋转的恒星形成强大的“喷射”，形成伽马射线爆发。超新星爆炸和伽马射线爆发的总能量几乎相同。区别在于前者相对“温和”，也就是说，这些能量在更长的时间内爆发，而后者非常强烈，在很短的时间内——从不到1秒到几百秒——释放出巨大的能量。伽马射线爆发是自宇宙诞生以来我们所知的最猛烈的爆发。它们是20世纪60年代偶然发现的相对较新的天文现象。伽马射线爆发的原因仍然是一个谜，所以它是目前天体物理学研究的一个热点。这次观测到的年轻黑洞是在31年前观测到的超新星爆炸中形成的。
黑洞的诞生首次被发现。
美国宇航局宣布的这一发现的意义在于，在人类历史上，我们第一次看到了黑洞的诞生和“婴儿期”的整个进化过程。
早些时候，一些媒体声称美国宇航局的公告“足以震惊全人类”，并引起网民的广泛关注。钱德拉望远镜的官方网站甚至因为太多的访问者而无法访问。虽然这个新闻并不是一些人所认为的“外星人”、“飞碟”和“世界末日”，但从科学研究的意义上来说，它确实是一个重大而令人兴奋的新闻。
可以想象，恒星从老化到爆炸死亡和黑洞形成的整个过程是极其复杂的，所涉及的物理知识几乎涵盖了经典和现代物理学和天文学的所有主要分支和领域，包括核物理、统计物理、广义相对论、量子力学、流体力学、辐射物理、恒星结构和演化等。毫不夸张地说，黑洞的形成理论是几个世纪以来物理学和天文学家智慧的结晶和综合。
显然，要从观察中验证上述复杂的黑洞形成理论，最理想的情况是看到从恒星爆发到黑洞形成的整个过程。然而，到目前为止，尽管天文学家已经在银河系恒星中发现了20多个黑洞，但他们不能确定这些黑洞的年龄——只能确定它们不是刚出生的。
美国宇航局这次宣布的发现的意义在于，在人类历史上，我们第一次看到了黑洞诞生和早期演化的整个过程。此外，黑洞离我们很近，只有5000万光年远，这有利于数据的积累。从1979年这颗恒星开始爆发到今天的31年，我们有关于这个黑洞的详细观测数据。这无疑将有助于验证我们的恒星演化和黑洞形成理论，进而推断黑洞在星系和宇宙中的分布，以及相关的天体物理学研究。
同时，天文学家对黑洞如此感兴趣有许多原因。目前，国际天体物理学研究热点中有“一黑两暗三起源”的说法，“一黑”指的是黑洞(两暗指的是暗物质和暗能量，三起源指的是宇宙、天体和生命的起源)。黑洞研究之所以重要，首先是因为黑洞周围的引力极其强大，而由强大引力引起的吸积盘中气体的其他物理性质也极其极端，如超高温、高压、超强磁场等。地球上的实验室无法达到这些极端条件，而这些正是我们验证物理基本理论的非常重要的因素，如广义相对论等。其次，宇宙中大多数有趣的暴力爆发和高能现象都与黑洞有关，如伽马射线爆发和活跃的星系核(指星系中心质量超过太阳一百万倍的超大质量黑洞)。因此，对黑洞的研究可以直接帮助我们揭开这些现象的奥秘。第三，最近的研究发现，黑洞与人们感兴趣的其他问题密切相关，比如星系是如何形成和演化的。只有清楚地研究黑洞本身，这些问题才能最终得到解决。
钱德拉太空望远镜
钱德拉空间望远镜，以前被称为先进的X射线天体物理设施(AXAF)，是美国航天局的“大天文台”系列空间天文观测卫星的第三个。该系列包括四颗卫星，另外三颗是康普顿伽马射线天文台、哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜。
钱德拉望远镜是专为观察宇宙最热区域的X射线而设计的，帮助天文学家寻找宇宙中的黑洞和暗物质，从而对宇宙的起源和演化有更深入的了解。它是人类建造的最先进、最复杂的太空望远镜，被称为“X射线领域的哈勃”。
1999年7月23日，钱德拉望远镜由美国航天飞机哥伦比亚号发射升空。当它离地球最远时，它的距离大约是地球到月球距离的三分之一。选择这个大椭圆轨道的目的是为了让望远镜尽可能长时间地远离地球的辐射区，并避免因靠近地球而带来的一些观测限制。