当一个黑洞苏醒了，我们可以做些什么？

笑看今朝

出品：科普中国
制作：黑洞来客团队
监制：中国科学院计算机网络信息中心
天鹅座V404黑洞（V404 Cygni）在今年6月苏醒了。
她自上次爆发后，一睡就是26年，这个世界上的90后还没有见过她上次爆发的模样。虽然无人知晓她的面容几何，但我们可以读懂她从距离我们7800光年的遥远宇宙发来的消息——这条消息可是用高能的伽马射线和X射线写成的！
美国的雨燕（Swift）卫星最早收到了天鹅座V404黑洞苏醒的消息，并通知了黯淡蓝点上的公民们。

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图一注：左图是天鹅座V404在天空中的位置图；右图为美国雨燕卫星的宣传图（图片来自于NASA）。

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图二注：这个图展⽰示的是天鹅座V404亮度变化图。除此之外，还有一些亮度变化的源。对于Cyg X-1和Cyg X-3是持续亮的 (图片来自于ESA/INTEGRAL/IBIS/ISDC)。

我们应当感谢科幻文学和科幻电影的繁荣，它们让许多普通⼈认识甚至“目睹”了黑洞。现在，或许连一个中学生都知道：黑洞引力巨大、撕裂一切，连光线都逃脱不得。
爱因斯坦在100年前提出了伟大的广义相对论，认为当所有的质量都集中在一个非常小的奇（qi）点上时，在某个范围之内会产生巨大的引力，这就是黑洞吞噬万物的道理。
望向宇宙深处的“眼睛”
看到这里，或许你会问我，既然连光都逃脱不出黑洞的手掌心，我们怎样观测“黑洞”这个黑漆漆的洞呢？
人类的眼睛只能看到非常窄的一段电磁波谱，如果你有幸获得一副可以看到X射线的眼镜，那么你将看到全然不同的宇宙图景：我们的太阳会比现在暗许多，夜空中不再有繁星点点，而只剩下稀疏个亮点点缀其中——因为能够产生如此高能辐射的点源天体非常有限——只有中子星、黑洞和少数的白矮星。
所以，戴上这只神奇的眼镜，你就可以看到天鹅座V404黑洞苏醒的样子啦，它就是天空中最亮的那个点，比目前知道的最亮的X射线天体天蝎座X-1（Sco X-1)还要亮上3倍。对于全人类来说，望远镜就是这样一副神奇眼镜：光学望远镜帮助我们看到更暗的天体，其它波段的望远镜帮我们认识光学之外的宇宙万物。
当然，科学家们并非透过望远镜的镜片就能直接看到张着大口、永远吃不饱的“黑洞怪物”，人类所能做的只是间接地探测黑洞。接下来我们所说的黑洞之观测，并不是地球人理所当然以为的“肉眼观测”，而是通过能看见各种射线的望远镜观测。

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探测黑洞的秘诀

宇宙中有两类黑洞我们能够确认：

一类是恒星量级的黑洞，它的质量比太阳大一些，比如说大约有10个太阳质量，这一类黑洞就像其它恒星一样，存在于星系的各个角落里。就我们银河系而言，估计就有超过一千万个。

另外一类黑洞，被称之为“超大质量黑洞”，这类黑洞的质量往往相当于至少几百万个太阳的质量（2014年，中国天文学家还发现了一个有10亿个太阳那么重的黑洞呢！），它们通常孤独地存在于星系的中心。

尽管这两类黑洞的质量有着天壤之别，但是会产生类似的天文观测现象，这里面可藏着人类观测、探测黑洞的秘诀噢！

第一就是黑洞周围那一圈明亮美丽的吸积盘。

通过吸积附近的⽓气体，黑洞周围会形成一个气体盘（就是吸积盘），盘中的气体围绕着黑洞转动，相互摩擦产生极大的能量，以光的辐射释放出来，被球上的望远镜或者太空望远镜所看到。然而，因为观测望远镜能力的限制，这一壮观景象的具体细节我们只能在电影中看到，就像电影《星际穿越》中表现的那样。那是动画公司在科学家的指导之下，根据大量计算数据将黑洞可视化的结果。

第二种现象是喷流。

与吸积盘不同，喷流的空间尺度更大，更容易为望远镜所看到。在某些情况下，吸积气体的黑洞会将多余的、未进入黑洞中的气体沿着转动方向快速抛射出去，这些气体由带电粒子构成，本身含有磁场，所以会产生辐射，让我们探测到它的存在。

正是黑洞的上面两种表现，让人类能够知道它的存在。对于沉睡了26年的天鹅座V404黑洞来说，正是通过从伴星上吸积到了足够气体，吸积盘产生爆发，从而产生了非常强的高能辐射，给地球人捎来了口信。

天鹅座V404黑洞这次醒来了十几天时间。在这次短暂而猛烈的爆发中，整个吸积盘都被摧毁了。在接下来的几十年中，天鹅座V404需要从其伴星再积攒气体，酝酿着下一次的爆发。

图三注：黑洞从伴星吸积气体图；喷流，吸积盘，黑洞的位置都被标注了出来。请注意这仅仅是示意图，尺寸大小不完全成比例(图片来自于NASA)。

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给黑洞称体重

所以，黑洞尽管是漆黑一片，但它时不时通过周围一些物质活动，来向我们展示它的存在与巨大威力。

那么，当宇宙深处传来疑似黑洞存在的消息，天文学家如何确认那就是一个黑洞呢？要知道，中子星也有吸积盘和喷流现象噢。

这就需要科学家为那只疑似为黑洞的东西测一下“体重”啦。

首先，从理论上来说，如果一个致密天体的质量大于3个太阳质量，因为已经没有任何已知力来支撑它自身的重量，所以，它会向中心塌缩形成恒星量级的黑洞。但因为黑洞本身不发光，所以只有黑洞周围存在着伴星的时候，我们才能看到并且对黑洞的质量进行测量。

实际上，我们的银河系理应存在着上千万个恒星级的黑洞，目前我们确认的只有60多个。因为当黑洞和伴星一起围绕运动的时候，我们才能够利用简单的物理定律，通过伴星的运动轨道测量到黑洞的质量。这种方法类似于利用月球运动来测量地球质量和利用地球运动来测量太阳的质量。

1974年，地球上两颗聪明的大脑、理论物理学家霍金和好朋友基普•索恩就人类第一个黑洞候选体——天鹅座X-1 (Cyg X-1) ——是不是黑洞打了个赌，他们以一年的成人杂志《阁楼》作为赌注。后来的观测是利用天鹅座X-1中的伴星运动测得了黑洞质量，大约为15个太阳质量，从而霍金认输并且在两人的赌书上签名按上了自己的手印。


图四注：霍金和索恩关于天鹅座X-1黑洞的打赌契约（摘自《黑洞与时空弯曲—爱因斯坦的幽灵》一书）

之前提到的两类黑洞质量都可以用这种方法来测量。例如，银河系的大质量黑洞位于人马座中，它的名字叫Sgr A*，质量大约为400万个太阳质量。

天鹅座V404黑洞在经历了短暂爆发之后，现已重归于平静，让我们期待她的再一次苏醒吧。