被黑洞吸走的东西都到哪里去了？
被黑洞吸走的东西都到哪里去了？成为黑洞本体？那样黑洞会不会因此而变大（体积）？ 黑洞是宇宙中最极端的天体，它们无处不在。掉进黑洞之后，只有一个可能，就是消失在视界里。黑洞的过去、现在及未来
黑洞的生命故事是怎样的？天文学家推测，一些黑洞可能是在大爆炸后不久产生的。当时宇宙还处于婴儿期，炽热而致密。自那时起，大质量恒星死亡后形成小黑洞，而大黑洞则是通过大量吞噬星系中心的气体以及星系并合时结合在一起而形成的。在本书的后半部分，我们来看看大小不同的黑洞是如何形成和生长的。由于它们的存在已不再存疑，因此，目前天文学家正在设计观测手段，去探测距离黑洞视界越来越近的那些地方。研究者还学会了如何在计算机模拟这一安全范围内探索黑洞的特性。
黑洞是引力理论的终极试验场，使我们能够以前所未有的方式检验广义相对论。未来 10 年黑洞研究中最令人激动的事情将来自引力波的探测。引力波是时空中的涟漪，是广义相对论的核心预测。几年前，当黑洞并合首次被探测到时，天体物理学的一个新领域诞生了。引力波探测器很快就会有能力以每周一个事件的频率探测到整个可观测宇宙中的黑洞并合。如果人类能存活足够长的时间，那么我们遥远的后裔就会有幸近距离观察到我们星系中央的黑洞与仙女星系中的一个类似黑洞的并合。
最后，我们会看看黑洞如何生长，以及如何随着宇宙膨胀和星系消散而最终被饿死。即使最大的黑洞有一天也会在霍金辐射的轻微声响中蒸发掉。没有什么会永存，宇宙不会，黑洞也不会。
黑洞的生命
宇宙中包含着大大小小的黑洞，其范围从大小相当于一座城市、质量相当于一颗恒星，到大小相当于太阳系、质量相当于一个星系。黑洞是如何诞生的，它们又是如何生活的？故事从大爆炸开始讲起，接着是激烈的恒星死亡以及质量向星系中心的聚集。结合观测、理论、计算机模拟，再加上一点推测，天文学家拼凑出了黑洞的历史。他们甚至考虑过宇宙本身是不是一个黑洞的问题。
宇宙的种子
早期的宇宙是混沌而无结构的。尽管随着行星、恒星和星系在引力作用下形成，宇宙变得越来越块垒分明，但它从来就不是完全平滑的。仅在大爆炸之后宇宙就存在着轻微的不均匀性，而且由于当时宇宙的平均密度非常高，因此，一些区域的引力会非常强。可见，星系形成的种子可以追溯到宇宙早期，但这还不是全部。在斯蒂芬·霍金预言了以他的名字命名的霍金辐射的同一年，他还与他的学生伯纳德·卡尔在一篇论文中写到可能在宇宙甚早期形成的黑洞——原初黑洞。他们提出，即使大爆炸后发生的密度变化平均而言很小，但某些区域的密度变化也可能大到足以产生超过宇宙膨胀力的万有引力。在这些地方会发生引力坍缩，并可能形成黑洞。这个过程可以产生几乎任何质量的黑洞。霍金的原初黑洞会是宇宙的种子吗？
最早的黑洞形成于普朗克时间，即宇宙大爆炸后 10-43 秒这一阶段，当时宇宙的直径为 10-35 米。那时形成的黑洞质量为 10-8 千克，大约相当于一粒尘埃的质量。由于宇宙的快速膨胀，这些早期的黑洞无法生长，因此很快就蒸发了。任何在大爆炸之后 10-23 秒以内形成的、质量小于 1012 千克的黑洞现在都已经蒸发了。但是较晚形成的、质量较大的黑洞可能存活到现在。大爆炸后 1 秒形成的原初黑洞至少会有 10 万倍太阳质量，不比银河系中心的大质量黑洞小多少。
另一种有趣的理论认为，原初黑洞可能会以一种意想不到的形式存留至今。在过去的 40 年中，天文学家一直在研究暗物质问题。在所有种类的星系中，恒星都运动得太快，无法用恒星自身的引力来解释。似乎有一个额外的质量成分把星系维系在了一起，这个质量成分是所有恒星质量之和的 5～6 倍。这种暗物质对周边物质施加引力，但它不发光，也不以任何方式与辐射发生相互作用。引力透镜数据显示，暗物质也充满了星系之间的空间。如果暗物质是由原初黑洞构成的，则会怎样呢？这是一种很有吸引力的可能性。从理论上来说，原初黑洞应该像暗物质一样在整个宇宙中都能找到，并且假定它们是暗物质的来源就可以避免调用标准物理之外的（而且还没有被加速器探测到的）一种新基本粒子。
不幸的是，仔细的观测已经排除了原初黑洞大多数可能的存在方式，包括暗物质。当黑洞蒸发时，它会迸发出大量伽马射线。20 世纪 80 年代，美国国家航空航天局已拥有一些在轨伽马射线探测卫星，但这些卫星并没有探测到预期的信号。引力透镜效应排除了从星系质量一直到地球质量的广大质量分布范围的黑洞。最近的理论研究已经关上了最后一扇窗口——从 1014 千克到 1021 千克，或者说从地球大气中所有碳的质量一直到太阳系中一个小卫星的质量。原初黑洞的数量不可能多到足以解释暗物质，但这并不意味着它们不会以某种形式存在着。宇宙学理论预言了它们，并且它们有可能启发我们对早期宇宙的理解。目前，搜索仍在继续。
第一缕光与第一抹黑暗
大爆炸后仅几秒钟就已经不再具有有利于原初黑洞形成的条件。那一瞬间的宇宙几乎是一个由高能粒子组成的完全平滑的大汽锅，各个不同区域之间的密度差异小于 0.001%。大爆炸后几分钟，温度已下降到可以形成原子核。核聚变将宇宙中 1/4 的质量从氢转化为氦，还有微量的锂以及氢和氦的同位素。这只花了不超过煮熟一个鸡蛋的时间。此时的温度是 1000 万摄氏度。你需要通过 X 射线的视野才能看到那时的宇宙。
宇宙继续膨胀并冷却。下一个重要的里程碑出现在大爆炸后大约 5 万年，那时物质和辐射的能量密度相等。此后，光子由于宇宙膨胀而发生红移，因此辐射能量密度比物质密度下降得更快。结果是，引力发挥了它的掌控力，只要微小的密度变化就可以开始增长了。此时宇宙的温度是 1 万摄氏度。如果有什么人在那里，那么他一定会看到宇宙发出蓝光。大爆炸后大约 40 万年，温度已下降到 3000 摄氏度，电子与原子核结合形成了稳定的原子。辐射第一次变得畅通无阻，「红雾」消散，初生的结构进入视野之中。
那时还尚属早期。与 138 亿年的年龄相比，40 万年只是一眨眼的工夫——相当于一个 40 岁的人生命中的前 10 小时。随着宇宙的膨胀，它逐渐从视野中消失，宇宙中的辐射从暗红色逐渐变成了看不见的红外线。这就是黑暗时代的开始。持续的黑暗时代一直到第一批恒星和星系形成才结束，这是在大爆炸后 1 亿年左右，所以这整个时代都在宇宙年龄的前 1% 之内。
有趣的是，虽然宇宙生命的第一部分是黑暗的，但可能并非死气沉沉。在大爆炸后 1000 万年到 2000 万年间，宇宙的温度介于水的沸点和冰点之间。现在的宇宙极其寒冷，我们所知道的生物形式只能存在于恒星附近的狭长宜居带中，或者可能存在于行星或卫星表面下方较冷的地方。那里的水由于来自上方的压力和来自下方的放射性加热而保持液态。但曾经有一段时间，整个宇宙都处于一个宜居温度之下。目前，我们尚不清楚的是，这些稀有的早期恒星是否能够制造出足够的碳，让生物形式得以发展，并制造出足够的重元素，从而形成一颗供这样的生物形式栖息的行星。值得怀疑的还有，2000 万年的时间是否足以从简单的化学原料演化出生命。
宇宙学中的一些最重要的问题都集中在黑暗时代。它是在什么时候结束的？是恒星先形成还是星系先形成？缺乏重元素对这些形成过程具有怎样的影响？要探测宇宙中的第一缕光，最好的方法是什么？而对我们要叙述的事情而言，最重要的是：最早形成的是哪种黑洞？
让我们暂时假设暗物质是一种新型的基本粒子，它由统一了自然界的 3 种力的理论所预言。作为宇宙学的一个组成部分，暗物质相当简单：它对外施加引力，但不与光或任何其他形式的辐射发生相互作用。暗物质的量比正常物质多 6 倍，所以它决定了宇宙的结构。当暗物质由于引力而聚集起来时，小的或低质量的团块开始出现。大爆炸后 1 亿年，黑暗时代结束时，最早的结构形成了，它们具有 106 倍太阳质量的暗物质。这是现今宇宙中一个微小的矮星系的质量。随着时间的推移，这些团块并合形成越来越大的团块。每一团暗物质中都包含着一团正常物质的「馅」，其质量是暗物质的 1/6，并且这些气体会坍缩到暗物质引力「坑」的中心。当它们坍缩时恒星形成，并引发了第一缕光。在这种「自下而上」的图景中，小天体比大天体先形成，恒星比星系先形成（见图 37）。
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图 37 宇宙从 138 亿年前的大爆炸演化而来的二维示意图。早期指数式膨胀之后是较为缓慢的膨胀。宇宙在大爆炸后的 40 万年到几亿年间是黑暗的，此时形成了第一批恒星和黑洞。大质量黑洞的生长是由于星系并合及气体落入星系。在过去的 50 亿年里，暗能量加速了宇宙的膨胀（美国国家航空航天局/WMAP 科学团队）
在黑暗时代结束和第一缕光开始闪烁的时候，宇宙与现在非常不同。它的大小是现在的 1/30，温度比现在高 30 倍，密度比现在大 3 万倍。另一个主要区别是，当时的宇宙中没有比氢或氦更重的元素。恒星形成过程依赖热量辐射出去而导致气体云在引力作用下坍缩。碳和氧具有能够非常有效地带走能量的光谱跃迁。早期宇宙中没有这些元素，就意味着形成恒星的云更热，其质量更大。在现在的近邻宇宙中，恒星质量的上限大约是太阳质量的 100 倍。在早期宇宙，第一批恒星的质量很可能是太阳的 200～300 倍。很久以前，数百万倍太阳质量的暗物质团块形成了恒星，它们的平均质量是现在正在太阳附近形成的恒星的几十倍。
第一批恒星的寿命很短，它们在几百万年里就迅速耗尽了自己的核燃料。在计算机模拟中，质量最大的恒星以超新星的形式爆发，什么也不留下，或者直接坍缩成 20～100 倍太阳质量的黑洞。就像第一批恒星本身一样，它们留下的黑洞比我们在银河系中发现的黑洞质量更大。
你刚才读到的一切都基于理论和计算机模拟。那么，对第一缕光的观测搜寻情况又如何呢？搜寻的方法有两种，它们都像大海捞针。这是因为第一批恒星很稀少，而 138 亿年来宇宙一直在稳定地形成恒星。一种方法是在银河系中寻找仅由氢和氦组成的恒星，这意味着它们是由没有被上一代恒星「污染」的气体形成的。2012 年，欧洲南方天文台的一个研究小组跟踪了斯隆数字化巡天项目中的一颗昏暗的恒星，发现它的重元素丰度是太阳的二十万分之一。它以 130 亿年的高龄成为原初恒星的最佳候选者。
另一种方法是在遥远的星系中寻找没有重元素的恒星。2015 年，另一个欧洲研究小组在一个红移 z 为 6.6 的星系中观测到了一些远古的恒星，这一红移意味着它们的光是在大爆炸后不到 10 亿年时发出的。论文第一作者、里斯本大学的戴维·索布拉尔将这个星系命名为 CR7，这既代表宇宙红移 7，也代表他最喜欢的足球运动员克里斯蒂亚诺·罗纳尔多。索夫拉尔说：「真的没有什么能比这个更令人兴奋了。这是这些恒星首次直接给出的证据，就是它们通过制造出重元素以及改变宇宙的构成，最终有了我们今天的存在。」
由于恒星灾变而诞生的黑洞
1967 年 7 月，美国的两颗「维拉」号卫星探测到了伽马射线脉冲。这些卫星是冷战时期的发明，它们用来探测苏联是否违反了 1963 年的《禁止核试验条约》。当时公众对此一无所知，但美国政府已处于高度战备状态。
幸运的是，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个研究小组证明，这些伽马射线闪光不符合核武器的特征，并推断它们的源所在的位置远在太阳系之外。1973 年，这一发现得到解密并作为研究论文发表。然而，谜团更大了。每天在天空的某个地方都会有一个伽马射线暴。在几秒钟内，这些源的伽马射线的亮度超过整个宇宙的其余部分。但它们消失得也很快，持续时间从几毫秒到大约 30 秒。伽马射线卫星探测到的位置太粗糙，无法对这些伽马射线暴进行后续观测，而且其分布是随机的，因此无法为研究它们的起源提供线索。
突破出现在 20 世纪 90 年代后期，当时一颗快速反应 X 射线卫星开始在轨道上采集数据。它可以快速绕轴旋转，从伽马射线事件中捕捉到能量较低的 X 射线，而精确的 X 射线位置使光学天文学家能够捕捉到衰减过程中的余辉。光谱学表明，引发这些伽马射线暴的天体位于距离地球数十亿光年的遥远星系中。遥远的距离意味着这些伽马射线暴的亮度必定惊人。2008 年发生的一个伽马射线暴事件尽管在半个宇宙之外，但用肉眼可以看到的时间也有 30 秒。2008 年短暂出现的这束光是在地球形成前 30 亿年发出的。2009 年观测到的另一次伽马射线暴发生在一个红移 z 为 8.2 的星系中，因此那个事件发生在宇宙只有现在年龄 4% 的时候。最强烈的射线暴产生的能量比超新星高 1000 倍，可达 1044 焦。这相当于太阳一生输出的能量在 1 秒内释放出来的效果，而不是分散在 100 亿年之中！
当伽马射线暴发生时，捕捉到光学余辉是测量红移和亮度的唯一方法。它可以帮助我们知道一个天体的年龄，并向我们指示它的质量可能有多大。几年前，我在亚利桑那州霍普金斯山使用 6.5 米口径多镜面望远镜时收到了一个网络提醒。美国国家航空航天局的雨燕卫星探测到一个伽马射线暴，于是向全世界发出了拍摄光谱的号召。当时是凌晨 3 点，我放下了咖啡杯，没有什么比追逐一场恒星灾变更能让你清醒了。几分钟内，我们便就位了。显示器上什么也看不见，所以我们盲目地操纵仪表，希望能有信号。第二天，处理后的数据显示出一条参差不齐的痕迹，有一些像发射线。但它不够强，因此不足以测量红移。第二天晚上，它就消失得无影无踪了。在天文学中，有时你不得不无奈地满足于追逐过程所带来的那种兴奋感。
天文学家认为伽马射线暴是一个新形成黑洞的标志。科学家至今研究过的数千个事件分为两种：光度高、持续时间长的事件和光度低、持续时间短的事件。最明亮的伽马射线暴是由大质量恒星旋转核心的坍缩引起的，这些恒星的质量通常是太阳的 30 倍以上，结果形成一个黑洞。恒星核心附近的物质大量落向黑洞，并旋转形成吸积盘。这些下落的气体产生了一对沿着旋转轴的双向喷流，其运动速度达到光速的 99.99%，并以伽马射线辐射的形式猛烈穿过恒星表面。大量引力能以中微子而不是光子的形式被释放出来（见图 38）。较快的伽马射线暴被认为是由两颗中子星的并合或者一颗中子星和一个黑洞的并合引起的。这两种情况都会产生一个黑洞。并合的大部分能量以引力辐射的形式被释放出来，这是广义相对论所预言的一种以光速向外辐射的时空涟漪。落入新形成的黑洞的物质形成吸积盘并释放出能量暴。
极超新星是黑洞形成的一种更为极端的事件。它释放的能量比大质量恒星正常死亡形成超新星时要高数百到数千倍。纪录保持者是 2016 年报道的一次极超新星爆发，其亮度是太阳的 5000 亿倍。想象一下，比银河系中所有恒星还要多 20 倍的光挤在一个直径为 16 千米的空间里。这是自大爆炸以来有记录的最大的一次爆发，这一令人难以理解的事实挑战了任何有关其释放能量的物理理论。
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图 38 一个黑洞的暴烈诞生可能会以一次伽马射线暴为标志。当能量沿着黑洞自旋的极轴以相对论性射流的形式出现时，冲击波会产生极高的电磁辐射。在几秒内，这种爆发会形成宇宙中伽马射线波段最亮的天体，在数十亿光年的距离以外都能被探测到（美国国家航空航天局/Swift 科学团队）
如此巨大的爆发引起了一个令人不安的问题：地球是否正面临恒星灾变的威胁？换言之，虽然我们不必担心会掉进黑洞，但我们是否应该担心黑洞会伸出手来打我们？好消息是，这些事件非常罕见，大约每个星系每 100 万年发生一次，而且辐射集中在双向喷流中，而爆发在空间中的指向是随机的，因此 99.5% 不会击中我们。这就使得平均发生率下降到每个星系每 2 亿年发生一次。坏消息是，如果我们碰巧处在发射线上，并且爆发发生在几千光年之内，那么地球及其生物圈就会受到高能辐射的重击。伽马射线会消耗掉 75% 的臭氧层，使基因突变率激增。这对生态系统的总效应难以估量，但有一个研究团队认为，4.5 亿年前奥陶纪晚期的生物大灭绝就是由伽马射线暴引起的。这次大灭绝的证据与臭氧消耗及地表物种的减少是相符的，但天文学家无法确认如此古老的一次爆发，因为残留下的只有黑洞。
有更令人印象深刻的证据表明，在有记载的历史中发生过一个较为温和的事件。公元 774 年，西方世界是由相互交战的小国拼集而成的。查理曼大帝征服了托斯卡纳和科西嘉，巩固了他的王国。在佛教受到尊崇的日本，孝谦天皇下令制作了上百万卷经书，它们是世界上最古老的印刷品之一。碳年代测定表明，在为了制作这些卷轴而砍伐的树木中，碳 14 与碳 12 之比曾经历过一次急剧增大的过程。
这一急剧的增大是表明地球在大约 1250 年前曾受到伽马射线辐射的主要证据。碳 14 具有放射性，会衰变为氮。它之所以存在完全是由于宇宙射线（即来自太空的高能粒子）撞击了大气中的氮。在这一过程中碳 14 保持了恒定的低水平，但是在那些卷轴中探测到的碳 14 激增了 10 倍，因此必定有另外一个外部原因。证据之二是欧洲和美国树木中碳 14 含量的升高，尽管具体时间难以确定。证据之三是放射性铍 10 在那个时候有一次小幅跃升。铍 10 是在高能粒子撞击暴露表面时产生的，它的浓度被用来确定冰川推进以及熔岩流和岩石中的其他地质事件的年代，这些年代可追溯到 3000 万年之前。所有这些都不能用太阳耀斑来解释，也不能用超新星来解释，因为任何距离非常近的超新星在白天都是可见的，而在中世纪的手稿中没有任何记载。这样就只剩下伽马射线暴了。在大约 5000 光年的距离上，它会向地球大气层倾泻 2 亿吨的伽马射线能量。余辉仅持续几天，因此即使肉眼可见，也很可能没有人注意到它，也没有人想到要记录它。
与此同时，天文学家还关注了一颗名为 WR 104 的大质量恒星，它距离地球 8000 光年，很可能在几十万年后的某个时候死于剧烈的核坍缩。我们无法测量它在太空中的指向，因此我们只能希望当它爆发时，它的强大喷流不会指向我们这里。天文计时是非常粗略的，因此这个时标并不能完全使人消除疑虑。它的爆发时间可能会早得多。在此期间，还有更好的事情可以让你辗转反侧。
寻找缺失的环节
我们已经讨论了两类不同的黑洞，其中一类是由大质量恒星死亡后形成的。当一颗恒星的初始质量是太阳质量的 8～100 倍时，它会留下一个质量是太阳质量 3～50 倍的暗物体。另一类形成于星系中心，其质量范围从太阳质量的几百万倍（在非活动旋涡星系中，如银河系）到太阳质量的几十亿倍（在巨椭圆星系中，如 M87）。这就留下了一个巨大的质量缺口：105，从太阳质量的几十倍到几百万倍。中等质量的黑洞存在吗？
我们已经发现的一小组天体从低端填入了这个缺口。回想一下亚瑟·爱丁顿计算出的黑洞的亮度极限。黑洞的吞噬速度越快，它们发出的光就越亮。不过，即使双星系统中的黑洞大肆吞食来自伴星的充足气体，它的亮度也是有限的。吸积盘释放出的辐射压抵消了黑洞的引力，因此在某一刻，试图下落的多余气体会被冲击回太空。这被称为爱丁顿极限。30 年前，人们发现了一种罕见的超亮 X 射线源。它们释放出的 X 射线辐射功率是太阳总功率的 100 万倍，其亮度足以使它们在数百万光年外的星系中也能被看到。根据爱丁顿极限，这些黑洞的质量肯定比太阳质量大数百倍或数千倍——恰好在质量缺口的中间。
明亮的 X 射线双星之所以重要还有另一个原因，其中有些是类星体的按比例缩小版。奇异的双星系统 SS 433 距离地球 18000 光年，位于天鹰座。一颗膨胀的蓝星每 13 天绕着黑洞运行一周，并将气体虹吸到黑洞周围的吸积盘上。一些热气体落入黑洞，而其余的气体则集中到沿黑洞旋转轴喷射出来的双向喷流中。这些气体以光速的 1/4 运动，12.5 微秒前进 1 千米。SS 433 是原型微类星体（见图 39）。微类星体拥有类星体的所有成分，包括自旋的黑洞、吸积盘、强烈的高能辐射和相对论性喷射，但它们的尺度按比例缩小为类星体的百万分之一。银河系中已知的微类星体只有 100 个，但它们对建模和理解类星体的极端天体物理学过程非常有帮助。类星体的燃料供应时标比人的寿命长得多，而微类星体的燃料供应时间只有几小时，因而很容易被观察到。
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图 39 SS 433 是一个由一颗早型恒星和一个黑洞组成的双星系统。这是一幅形象化示意图，因为它距离我们 18000 光年，我们无法看到其细节。来自伴星的气体的角动量很大，所以它们通过吸积盘流到黑洞上。光学和 X 射线谱线的多普勒频移都显示了相对论性喷流的速度。这类天体是发生在类星体中心的天体物理学过程的缩影（M·鲁彭、R·汤恩斯/美国国家无线电天文台）
那么从高端往下填入缺口的情况又会如何呢？让我们回到过去几十年的一个核心见解：每个星系都有一颗黑暗的心脏。类星体和活动星系都很罕见。大多数星系的中心黑洞在大部分时间里是不活跃的，因此只能通过它们对星系中心附近恒星的影响来探测它们。随着天文学家在那些近邻星系中收集到有关黑洞的更多数据，他们发现其中存在着一种惊人的相关性。一个星系中的那些年老恒星的速度离散度（即它们的运动变化范围，这个量表明了总质量）精确地预言了一个不活动的中心黑洞的质量。这种相关性令人费解。这些黑洞只影响到星系中心的一个较小区域，而且星系中的恒星比它们的质量大 500 倍。为什么这两个全然不相干的量会发生关联？
虽然天文学家还不确定，但是这种相关性最近已经向下扩展到矮星系，甚至是包含着质量是太阳几千倍的黑洞的球状星团（见图 40）。椭圆星系很大，并且几乎完全由年老的恒星组成，因此它们拥有质量最大的黑洞。在像银河系这样的旋涡星系中，年老的恒星较少，大多数聚集在中心的一些小核球之中，因此它们容纳了较多的中等黑洞。
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图 40 星系中年老恒星的质量与其中心黑洞的质量之间存在着相当紧密的相关性。这里涉及的星系从矮星系到巨椭圆星系，质量延伸超过 10 万倍。银河系中的球状星团将这种相关性又向下延伸到几千倍太阳质量。这种相关性表明，中心黑洞的质量只相当于星系中恒星质量的千分之几（A.菲尔德/美国国家航空航天局/欧洲航天局）
观测较小的黑洞是有挑战性的，这将望远镜和探测器推向了极限。最好的目标是球状星团，即绕着大型星系晕做轨道运动的球状恒星群体。它们由几十万到几百万颗恒星组成，因此上面所描述的这种相关性预言中存在着几千倍太阳质量的黑洞。已经有人声称探测到了这样的黑洞，但还没有一次能经受住质疑性的详查。尽管如此，还是有少量天体填进了这一缺口。例如，2012 年人们在矮星系 ESO 243-29 中发现了一个 20000 倍太阳质量的黑洞，2015 年在矮星系 RGG 118 中发现了一个 50000 倍太阳质量的黑洞。
关于中等黑洞的最重大发现在 2015 年姗姗来迟。当时日本射电天文学家发现了一块旋涡气体云，它离银河系中心只有 200 光年。他们通过 18 种不同分子的谱线跟踪了其旋转过程，并推断出存在着一个质量是太阳 100000 倍的暗天体。这一发现支持了这样一种观点：黑洞生长的方式与侵略性伴星相同，即通过并合及获取。数百万年后，当位于银河系中心的 400 万倍太阳质量的黑洞吞噬了这个中等大小的同类后，那个中心巨兽将增大 2.5%，我们可以想象它会发出满足的饱嗝。这个饱嗝将被记录为 27000 年后的撞击地球的高能辐射脉冲。
计算机模拟极端引力
爱因斯坦以一种全新的方式思考引力。引力并不像牛顿所设想的那样，在太空中四处拉动或拖拽物体。一个物体在引力作用下沿着最短路径（即测地线）穿过弯曲的时空。一个宇航员慢慢地落向宇宙飞船只不过是由时空的曲率引起的。月球绕着地球转圈，是因为通过时空的最短路径又把它带回到空间中的同一点。每次你乘坐长途飞机时，都会出现这种情况的二维形式。想象你从洛杉矶飞往马德里。尽管这两座城市位于同一纬度，但飞机也不会向正东飞行。它会先向北飞，在飞越格陵兰岛南端之后再向南飞。它飞越的是这两点之间的最短距离。如果在一个球的表面拉伸一根绳子，你就能证实这一点。飞行员不需要向左转或向右转，这条航线是一个二维曲面上的一条直线。
广义相对论最简单的形式可写成 G=8πT，其中 G 是某一点的时空曲率，而 T 是这一点的质量（严格来说是质量-能量，但是由于根据 E=mc2，能量只有极其微小的等效质量，因此对于天文学中的情形而言，只考虑质量是可行的）。这个简洁的方程适用于空间中的所有点，而且它囊括了关于引力我们需要知道的一切。
不过，这个优雅的等式是以高度紧凑的形式出现的。它对解决任何实际问题都毫无用处。为了将广义相对论应用于黑洞之类的东西，就必须使用完整的表达式。这些表达式可以展开成 10 个不同的方程，每个方程都包含许多项。解这些方程涉及极大量艰难的代数计算和微积分计算。而为了理解两个质量不同的黑洞并合时会发生什么，就要用到爱因斯坦方程组中的每一项。若将其写出来，将是 100 页深奥的数学运算，没有任何简化的可能。
20 世纪 90 年代，随着数学和计算技术的快速发展，数值相对论开始快速发展。爱因斯坦方程的近似计算发展起来了。它们集中于研究将空间和时间分离开的各种方法，对空间进行异常精细的采样，以至于可以使用欧几里得几何。计算使用「自适应网格」，其中引力较弱的、平坦的空间网格较粗，而引力较强的、弯曲的空间网格较细。网格会随着情况的演化而不断得到调整。计算机的速度是以每秒浮点运算次数来度量的。1962 年最先进的 IBM 7090 计算机的运算速度为 100000 次/秒，1993 年最快的计算机的运算速度提高了 100 万倍。现在这个速度又提高了 100 万倍，或者说达到了惊人的 1017 次/秒。美国国家科学基金会以「重大挑战」基金资助鼓励这项研究，以模拟双黑洞碰撞。这项数值研究的结果给我们带来了一些惊奇。这样一次并合会产生巨大的引力辐射：黑洞总质量的 8%。此外，当两个黑洞并合时，结果产生的黑洞被「踢」出的速度可达 640 千米/小时，足以将其从任何星系中抛出。
让我们用画布来作一种视觉隐喻，描述某种看不见的东西——时空。画布是用引力来画的。到目前为止，我们只是拉伸了空的时空这块画布（见图 41）。广义相对论是关于引力的一种几何理论，因此只要任何地方有质量，时空画布就会弯曲，它可以包含刺穿、撕裂和褶皱。这块画布是三维的，所以不能可视化。但画布并不是故事的全部，真实宇宙中的黑洞周围还环绕着辐射、热气体、高能粒子和磁场。
我们在谈论的是 3 个层次的困难。第一层次是粒子和辐射之间的复杂相互作用，第二层次加入了磁场，第三层次包括引力。在这一点上，研究者正在探索一种叫作广义相对论磁流体动力学的技术，这在鸡尾酒会上是一个真正会导致冷场的话题。用棋类游戏来打比方，这 3 个层次就像从跳棋到国际象棋再到围棋。在这一系列技术的能力范围内，我擅长下跳棋，国际象棋下得还行，但围棋就完全让我摸不着头脑了。完全的数值处理旨在表示出复杂的天体物理学，不仅是关于黑洞的物理学，而且还包括吸积盘和双向喷流。这是黑洞模拟的最新进展。世界上只有不到 100 人具备从事这项工作的专业技能。
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图 41 数值相对论是一个用计算方法求解爱因斯坦引力方程的领域，在这些方程所描述的复杂而现实的天体物理环境下，不可能得到它们的精确解。其中一个要求是对不同大小的尺度都适用。对于一个双黑洞系统而言，这个范围从轨道尺度到视界尺度。上图所示的这种强大的方法被称为自适应网格，此时计算中的时空采样自动调整到本地引力的强度（GRChombo/劳伦斯·伯克利国家实验室）
计算机可以模拟小黑洞，但是那些存在于星系中心的大黑洞呢？为此，我们来会一下西蒙·戴维·曼顿·怀特。他是英国皇家学会会员，也是德国普朗克天体物理研究所所长。他是一位用计算机对付引力的魔术师，因此我们就把他戏称为魔法师。这位魔法师有一双忧郁的眼睛，留着整齐的胡子和一头灰白的蓬松卷发。他看起来很疲惫，但是如果要从零开始创造宇宙，你也会感到疲惫的。
这位魔法师在剑桥大学跟随研究黑洞的先锋人物、具有远见卓识的科学家唐纳德·林登-贝尔攻读博士学位。他发表了 400 多篇经评审的论文，并得到了超过 10 万次的引用，这些耀眼的数字使他在他的研究领域中处于人迹罕至的最顶层。他是研究暗物质性质和宇宙结构形成方面的世界级专家。
以下介绍如何在一台计算机里创造出宇宙。建立一个三维空间网格，按正确的比例加入正常物质和暗物质，打开引力，让空间按照大爆炸模型膨胀，并观察大尺度结构的细丝从最初平滑的质量分布中凝聚出来。大量的「粒子」代表天体。例如，可能用 100 万个粒子来代表一个星团，其中的每颗恒星就是一个粒子。但是，没有任何模型具有足够的粒子来以每颗恒星一个粒子的精度表示一个星系，或者以每个星系一个粒子的精度表示宇宙。因此，在实际操作中，一个粒子可以代表各种不同的质量。做一个类比，想象用 100 万个粒子来模拟人口。在一个模拟世界的模型中，每个粒子会代表 7500 人，或者说就是生活在一个村庄或一小块农村地区的人数。更精细的细节是不可能得到的。但是，如果是模拟美国罗得岛这样的小州或者得克萨斯州奥斯汀这样的中等城市，每个人都用一个粒子来代表，那么同一个模型就可以表示出可怕的细节。
随着粒子数量的增加，计算需求迅速增加，怀特和其他编程大师使用了一些技巧来显著加快模拟速度。毕竟没有人愿意等待 138 亿年才看到结果。怀特的模拟被称为「千禧运行」，因为这是在 2000 年之后首次对宇宙中的大块区域进行的强大模拟。
这些模拟中只包括引力，但是星系中既有恒星也有气体，而且气体的行为与恒星不同。当两个旋涡星系相互碰撞时，恒星和暗物质粒子几乎从不碰撞，所以星系的这些成分会互相穿过。但是气体成分相互碰撞、加热，发出明亮的光，并形成恒星。气体的行为更像流体，而不是一组粒子。为了处理气体，模拟器用平滑粒子来模拟气体的行为，这些粒子具有一个概率分布，而不是单一的位置。天文学家还通过方程将超新星爆发和黑洞形成等小尺度的重要细节纳入物理学中。关于西蒙·怀特的里程碑式的宇宙学模拟，来听听他是怎样讲的：
在最初的「千禧运行」中，最首要的新颖之处是总体规模，大约比之前的计算大 10 倍。此外还有这样一个事实：我们采用了一些技术，使我们能够以一种基于物理学的粗略方式跟踪可见星系的实际形成。我们不仅能够预言宇宙中看不见的暗物质成分的分布，而且能够预言我们实际上能看到的东西应该在哪里，以及它们应该有哪些性质……已经出现了一些令人惊奇的结果。其中之一是我们认识到，要理解可见星系的各种特性，就必须理解其中心黑洞的影响。实际的星系群体是由其中心黑洞的发展所决定的。认为位于星系中心的这个小天体与星系的其他部分相互脱离的看法是不正确的，尽管黑洞只包含着星系中恒星质量的 1/10，是非常小的一部分。
「千禧运行」于 2005 年完成。它使用了 100 亿个粒子来模拟一个边长为 20 亿光年的宇宙立方体。（运行结果需要 25 太字节的存储空间。）这还不是整个宇宙，但它已经大到足以成为一个「合理的样本」，其中包含了引力在 140 亿年间能够形成的最大结构。基于该模拟的科学论文已经发表了数百篇。代表目前最先进技术的是 Illustris 模拟。根据摩尔定律，晶体管变小会带来计算能力的提高，最佳模拟的尺寸每 20 个月翻一番。到 2017 年底，模拟器已经突破了上万亿个粒子的壁垒。使用 Illustris 模拟，第一次我们有可能对宇宙的相当一部分建立真实的模型，其细节水平可以达到分辨单个星系结构的程度。计算机现在可以追踪在长达 130 亿年的时间跨度中数百万个超大质量黑洞如何获得燃料以及如何生长。
西蒙·怀特像天文学界的许多理论物理学家一样，最初接受的是数学方面的培养。一次，他回忆了自己选择读哪个专业的研究生时的情景：「当时我在剑桥大学有两个选择，其中一个是理论流体力学、空气动力学以及此类专业。这些专业的学生待在剑桥大学中心的一栋大楼里。他们位于地下室的办公室没有窗户。另一个选择是天体物理学。天体物理中心在城外，那是一栋有很多窗户的建筑，马路对面还有树和奶牛。我觉得天体物理学看起来要稍好一点。」
黑洞和星系是如何生长的
黑洞和星系的生命是相互交织的。超大质量黑洞的体积只占星系的极小部分，而且其质量也只占星系质量的极小部分。然而我们已经看到每个星系都有一个黑洞，并且黑洞质量与整个星系中恒星的质量紧密相关。这对于黑洞与星系在经历宇宙时间的过程中如何共同生长意味着什么？
类星体的光辉岁月早已过去。我们可以探测到潜伏在近邻星系中的超大质量黑洞，但它们大多很安静，就像银河系中的那个黑洞一样。这些黑洞中有百分之一是轻度活跃的，百万分之一是类星体。光学和 X 射线波段的巡天项目可以在时间上倒过去追踪类星体的亮度。类星体的峰值亮度出现在红移 z 为 2～3 处，大约对应于 110 亿年前，或者说大爆炸之后的 20 亿年到 30 亿年。它们当时比现在活跃几千倍。古代的夜空和我们现在的夜空大不相同。当时的宇宙只有现在的 1/4 大，星系正在迅速并合及形成恒星。那时有数以百计的星系是肉眼可见的，而不像现在只能看到 3 个。最近的类星体距离我们只有现在的 1/100 远，也是肉眼可见的。观测结果表明，类星体的活动在经历了一个快速的上升阶段之后，又出现了一个缓慢的下降阶段。
所有大型星系都具有超大质量黑洞，但这并不意味着它们都显示出类星体活动。我们如何知道类星体的活动是不定期发生的，而不是具有一组特定星系的一个特征？要回答这个问题很难，因为天文学家无法通过注视特定的星系来了解它们是如何演化的。他们通过巡天拍摄到所有时期的大量星系，并使用这些数据来对某一特定时期的星系活动拍摄快照。
在过去 10 年中，我研究的就是这一领域。我们的目标是了解黑洞和星系是如何生长和相互联系的。我喜欢天文学研究，因为它没有按照物理学的模式行事：后者需要多达 1000 多人的协作，还要使用花 10 年时间才能建成的仪器。现在你带着一个研究生和一个好主意去用望远镜观测几个晚上，仍然可能有所发现。
这就是乔纳森·特朗普和我来到安第斯山麓的原因。我们一边看着山脉上方的天空变暗，一边准备我们的观测清单。我们的目标是黑洞生长的最佳点，时间是宇宙大爆炸后 30 亿年到 100 亿年间。在这段时间里，星系完成了它们的大部分并合，黑洞也获得了它们的大部分供给。我们试图确定核区活动性的下限。黑洞在吸积速率为多少时还能以类星体的形式发光？我们设法找到了距离我们 100 亿光年的一些黑洞，它们和银河系中心的黑洞一样处于休眠状态。当时可供我们使用的就是 30 年前我在澳大利亚毁坏了照相底片的那种技术。我们不仅得以在一个晴朗的夜晚发现 300 个类星体，而且能够测量出它们的黑洞质量。
乔纳森是个精力充沛的学徒，而我是个头发花白的老手，但实际上我们经常互换角色。时间并没有减弱我对研究的热情，而且我在匆忙收集数据时偶尔会犯错误。而乔纳森控制住了我的过度行为，稳稳地握着望远镜的操纵杆。一天半夜，我们看到一片云，我尽量保持耐心。光子经过数十亿年的旅程才被我们的大玻璃捕捉到，再多等几小时又有什么关系呢？我走到外面，守候着天空变晴。头顶的云层一直向西延伸到太平洋。向东看到的星空中安第斯山脉参差不齐的轮廓被鲜明地描绘出来。一只秃鹫无声地在头顶盘旋。
最后一个望远镜观测之夜略带疲惫和悲伤。当太阳落山时，我们欣赏到一道绿色的闪光。天文学家如果在一年内能用大型望远镜观测 6 个晚上的话就算很幸运了。如果碰到阴天，他们就必须明年再来。在这一轮望远镜观测之后，我们就要与它天各一方了。
我们对收集到的数据散点图感到困惑。一些类星体有巨大的黑洞，但它们的喷射很微弱。另一些虽然只有微小的黑洞，却在发出明亮的光芒。燃料供给机制神秘莫测。我们在一周内捕获了 500 个黑洞，但对于一个拥有 1000 亿个星系、每个星系中都藏着一个黑洞的宇宙来说，这感觉就像一个针尖。黑洞似乎在无声地嘲笑我们，它们严守着自己的秘密。
我们之前已经看到，维持类星体水平的亮度需要每年几个太阳质量的吸积率。如此温和的燃料供应速度有两层含义。首先，大多数星系的中心区域并没有太多的气体，而且黑洞很少吞噬整颗恒星，所以燃料不到 1 亿年就会耗尽。气体从星系际空间洒落到星系中，而星系并合时也会增加气体。但是由于宇宙很大，星系彼此离得很远，因此这两种过程的效率都很低。由于黑洞耗尽「燃料」的时间比观测到的类星体总数增加和减少所需的时间要短得多，因此单个类星体必定在小部分时间里处于「开启」状态，而在大部分时间里处于「关闭」状态。
其次，黑洞的温和增长速度还意味着它们不应该很快变得非常大，但它们确实如此。斯隆数字化巡天项目一直在寻找宇宙大爆炸后最初几十亿年内的类星体。迄今为止发现的最古老的类星体是一个红移 z 为 7.5 的明亮类星体。这表明质量是太阳数十亿倍的超大质量黑洞是在大爆炸后最初 10 亿年间形成并生长的。这似乎与小星系并合成大星系的那种缓慢而有条不紊的过程是矛盾的。这与一个世纪之前亚瑟·爱丁顿所定义的黑洞能达到的最大生长速度也不一致。从 10 倍太阳质量的「种子」质量（这是大质量恒星死亡后留下的黑洞的典型质量）开始，在 10 亿年之内是不可能达到 10 亿倍太阳质量的。要形成这些古老而明亮的类星体，种子质量必须已达到 10000 倍太阳质量。
最近的模拟给出了一个解释。在大爆炸几亿年后第一批星系的形成过程中，背景辐射最初阻止了恒星的形成。当它们确实开始形成时，发生的是一个快速、剧烈的过程，留下了许多小黑洞。而在高密度环境中，这些小黑洞并合成了 104～106 倍太阳质量的黑洞种子。以这种方式启动的黑洞生长，可以使其再用 5 亿年就达到超大质量黑洞水平（10 亿倍太阳质量或更大）。
反馈的概念有助于将这些观测结果联系在一起。黑洞与其宿主星系存在着一种共生关系。如果没有来自星系中心区域的气体供给，黑洞就不能像类星体一样生长或发光。但是，它在活动时就会释放出大量的能量。这些能量足以将中心区域的气体赶出去，从而抑制恒星的形成。一个类星体在 1000 万年的活动阶段中会释放出 1053 焦能量。这大致等于一个大星系中将恒星束缚在其轨道上的引力能。所以，类星体显然具有干扰星系的能力。反馈意味着类星体会将气体赶出去，并抑制自身的活动。气体必须重新积聚起来，才能开始新的活动阶段。反馈将星系内部区域的演化与它的中心黑洞联系在一起，从而解释了天文学家所看到的黑洞质量与分布在大得多的尺度上的恒星质量之间的相关性。
将这些全都汇总起来，星系和黑洞在大爆炸后的最初几十亿年进入了一个剧烈的构造阶段。星系在暗物质的支配下层级式增长，小的东西先形成，然后随着时间的推移并合成大的。恒星的形成与并合率在达到峰值后，由于气体供给的减少和宇宙的变大而缓慢降低。而黑洞的构造工程则不同于此道。最深的引力势很快形成了最大的星系和质量最大的黑洞。它们现在以椭圆星系的形式存在于我们的周围，很久以前就缺失气体了，而且在它们的中心潜伏着死去的类星体。与此同时，较浅的引力势形成了中等大小的星系（比如银河系），在它们中间生长着较小的黑洞。这些黑洞持续生长，并且较长时间保持着活动状态。形成星系和黑洞的昌盛时代早已过去（见图 42）。在宇宙未来的暮光之中，当最后一批恒星奄奄一息且几乎没有新的恒星来替代它们时，唯一能激动人心的事情将来自两个成熟星系相互碰撞以及它们的大质量黑洞发生并合所引发的那些罕见场景。
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图 42 黑洞和它们周围的星系之间存在着一种复杂的相互影响。星系是层级式生长的，通过并合从小变大。中心黑洞也通过并合及气体内落的共同作用而生长。类星体的活动能驱动气体外流，从而抑制这种活动。这种现象称为反馈。最后，当气体耗尽或反馈非常强时，黑洞就会处于饥饿状态，星系中就会寄居着一个死去的类星体（P. F.霍普金斯/加州理工学院）
作为一个黑洞的宇宙
宇宙是一个黑洞吗？它们有一些表面上的相似之处。可观测宇宙的质量和半径符合由黑洞的质量和史瓦西半径所确定的同一关系。宇宙也有一个视界，它是我们看得到的星系与我们看不到的星系（因为它们的光到达地球所需的时间大于宇宙的年龄）之间的边界。
二者还有一些真实存在的差异。在一个浅显的层面上，一个黑洞有一个内部（封闭在视界内的空间和时间）和一个外部。宇宙被定义为所有的空间和时间，所以它没有「外部」。此外，黑洞的视界是一道单向屏障：虽然没有任何信息能够逃脱出去，但我们可以选择穿过视界，去了解里面是什么。在我们的加速宇宙中，距离我们 160 亿光年的视界标志着我们无论等待多久都永远看不到的事件。我们可能会看到星系中发生在它们穿过视界之前的事件，此后发生的事件就永远在我们的视野之外了。加州大学洛杉矶分校的天文学教授奈德·莱特在他的「宇宙学常见问题解答」中简明扼要地说：「大爆炸其实一点也不像黑洞。大爆炸是一个在一瞬间扩展到所有空间的奇点，而黑洞是一个在一点上扩展到所有时间的奇点。」换一种说法，我们的宇宙在过去有一个奇点，一切事物都是从这个奇点产生的，而黑洞现在有一个奇点，未来可能会有事物消失在这个奇点中。
黑洞还被用来解释宇宙的存在。这是推测性宇宙学，所以请系好安全带。大爆炸理论依赖暴胀事件，即大爆炸后 10-35 秒的指数式膨胀时期，宇宙的尺度在此期间从小于质子激增到大约 1 米。暴胀事件有一些观测上的支持，但仍然没有很好的理论来解释它的成因。
2010 年发表的一篇有趣的论文试图通过将引力理论扩展到一类新的基本粒子来消除暴胀的必要性。这一理论采用了一种被称为扭转的斥力。扭转在正常密度和温度下并不明显，但在大爆炸时的条件下，它允许从一个黑洞内部形成一个宇宙。那么，我们的宇宙就会是从黑洞中孵化出来的时空。这个想法的另一个附带的好处是解释了时间箭头。时间对于我们而言是向前流动的，因为物质关于时间的不对称流动从一个上代宇宙进入了视界。也就是说，在视界的另一边，在上代宇宙中，时间是朝着相反的方向流动的。之所以会出现这种狂野的情况，是因为自大爆炸以来发生的事件在上代宇宙中都是以相反的顺序上演的。
2014 年发表的一种更为狂野的理论用到了弦理论工具。为了避免大爆炸奇点，加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的研究者提出了一种理论，认为我们的宇宙起源于一个更高维宇宙中的一个黑洞的形成。在我们的三维宇宙中，黑洞具有二维的视界。在一个四维的宇宙中，黑洞会有一个三维的视界。尼亚耶什·阿夫肖尔迪和他的同事提出：我们的宇宙是在四维宇宙中的一颗恒星坍缩成黑洞时形成的。大爆炸是一场海市蜃楼，是一个高维事件的示踪器。他们引用柏拉图的洞穴比喻来描述这种情况：「二维的阴影是囚犯们曾见过的唯一东西——他们仅有的现实。他们的枷锁使他们无法看到真实的世界——一个对他们所知的世界多一维的领域……柏拉图的囚徒们不理解太阳背后的力量，正如我们不理解四维的大宇宙。」
在实验室里制造黑洞
让我们通过下面这个问题把黑洞带回到现实中来：我们有能力制造黑洞吗？在回答这个问题之前，让我们先回忆一下黑洞是多么不同寻常。史瓦西半径与质量成正比。要把太阳变成一个黑洞，就必须把它的半径压缩到 3 千米，相当于密度是 20 万亿千克/米 3。把地球变成一个黑洞意味着要把它的半径压缩到 9 毫米——比乒乓球还要小一点——对应的是一个惊人的密度： 1024 千克/米 3。典型的岩石密度是 2000 千克/米 3。超人凭借着他的惊人力量，可以把一块煤挤压成一粒钻石，但这只不过是把密度从 900 千克/米 3 提高到 3500 千克/米 3。要达到黑洞的密度，你必须把物质压缩到原来的十万亿亿分之一！试试这个吧，超人！
创造黑洞远远超出了我们目前的能力。大型强子对撞机制造出了空前的能量。但即使在理论上，它也只是制造了黑洞所需能量的一千万分之一（见图 43）。但这并没有阻止新闻媒体将其称为「世界末日机器」，并推测它可能会制造出微型黑洞。这些黑洞会沉入地球中心而吞噬掉这颗行星。人类搜索微型黑洞的尝试遭遇了失败，各种各样的末日场景都令人信服地被揭穿了。
如果存在着额外的维度，那么我们宇宙中的引力就可能会流入其他维度。这就可以解释为什么引力是一种如此微弱的力。此外，由于制造微型黑洞所需的能量依赖空间所具有的维数，因此制造微型黑洞会比较容易。从这个角度来看，粒子加速器不能制造出微型黑洞这一事实是对额外维度的反驳。此外，每隔几个月我们就能从太空的宇宙射线中观测到足以制造出微型黑洞的能量——远远超出大型强子对撞机的能力。然而，没有任何证据表明宇宙射线制造了黑洞。最后，即使对撞机能制造出黑洞，它们也会非常微小，只有 10-23 千克，以至于需要 3 万亿年的时间才能消耗足够的物质而长到 1 千克。但是，如果黑洞理论是正确的，它们就永远不会有机会生长，因为它们会通过霍金辐射在远小于 1 秒的时间内化为乌有。
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图 43 位于瑞士的大型强子对撞机的阿特拉斯探测器。8 个环形磁铁环绕着探测器，质子以不可思议的能量和接近光速的速度在其中发生碰撞。虽然物质在大型强子对撞机中被瞬间压缩，但其密度远低于创造出一个黑洞所需的水平。即使以某种方式达到了足够的能量水平，由此产生的黑洞也会太小，从而会通过霍金辐射在远小于 1 秒的时间里蒸发（M.布赖斯/阿特拉斯实验，版权归欧洲核子研究组织所有）
如果微型黑洞有朝一日能够被制造出来，它们就会为人类的前往恒星之旅提供一种令人信服的方法。目前，星际旅行被困在起跑线上，因为我们的火箭使用化学能源。这种低效率的燃料足以让人们进入地球轨道，并绕着太阳系载荷运行，但无法让人们行驶数万亿千米到达最近的恒星。然而，来自微型黑洞的霍金辐射所释放的能量可以将一艘星际飞船推进到相当接近光速。用于太空旅行的黑洞要发挥作用，就必须足够小，从而可以被制造出来。它们的质量大约相当于一艘星际飞船的质量，而且寿命要足够长。一个质量为 50 万吨的黑洞会符合这个标准。它的直径为 10-18 米，输出功率为 1017 瓦，寿命为 3～4 年。如果其能量的 10% 转化为动能，那么它将在 200 天内使一艘星际飞船加速到光速的 10%。这个黑洞会被放置在一个抛物面反射器的焦点处，从而产生向前的推力。这就是想法，剩下的只是工程问题。
B. J. Carr and S. Hawking,「Black Holes in the Early Universe,」Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 168（1974）: 399-415. ——原注
普朗克时间属于粒子物理学和宇宙学中经常使用的一种单位体系，这种单位体系中的测量完全是根据基本常数定义的，而不是人为得出的一些构思。按照约定，物理常数在用普朗克单位计算时取值为 1。普朗克单位描述了一种标准量子理论和广义相对论不能调和的情况，因而需要一种量子引力理论。——原注
替代暗物质假设的另一种方法是说牛顿引力定律是错误的。如果引力与距离不完全是平方反比的依赖关系，就有可能在不需要暗物质的情况下给出解释，但由此付出的代价会很高。牛顿的引力定律在解释太阳系内外的弱引力方面是卓越的，而改变引力定律则破坏了这种理论的对称性和优雅。人们探索了各种不同的引力理论，但没有一种能超越牛顿理论所达到的高度。天文学家已经接受了暗物质是宇宙的一个主要组成部分这一观点，并不遗余力地致力于弄清暗物质的物理性质。——原注
P. Pani and A. Loeb,「Exclusion of the Remaining Mass Window for Primordial Black Holes as the Dominant Constituent of Dark Matter,」Journal of Cosmology and Astroparticle Physics， issue 6（2014）: 26.——原注
S. Singh, Big Bang: The Origin of the Universe（New York: Harper Perennial, 2005）.——原注
J. Miralda-Escude,「The Dark Age of the Universe,」Science 300（2003）: 1904-09.——原注
A. Loeb,「The Habitable Epoch of the Early Universe,」International Journal of Astrobiology 13（2014）: 337-39.——原注
虽然天文学家不知道暗物质的物理性质，但有大量证据表明整个宇宙中存在着看不见的质量，它们的作用是使星系不散开。除非认为暗物质是宇宙的一个组成部分，否则的话，对暗物质结构形式的模拟不会产生任何类似于真实宇宙的东西。要满足的必要条件是「冷暗物质」，其中「冷」字意味着当稳定原子形成时，粒子是以非相对论速度运动的（否则结构就会被抹掉）。基础论文是 G. R. Blumenthal et al.，「Formation of Galaxies and Large-Scale Structures with Cold Dark Matter,」Nature 31（1984）: 51725。——原注
V. Bromm et al.,「Formation of the First Stars and Galaxies,」Nature 459（2009）:49–54; and A. Loeb, How Did the First Stars and Galaxies Form（Princeton: Princeton University Press, 2010）.——原注
D. G. York et al.,「The Sloan Digital Sky Survey: Technical Summary,」Astronomical Journal 120（2000）: 1579-87.——原注
E. Chaffau et al.,「A Primordial Star in the Heart of the Lion,」Astronomy and Astrophysics 542（2012）: 51-64.——原注
G. Schilling, Flash! The Hunt for the Biggest Explosions in the Universe（Cambridge,UK: Cambridge University Press, 2002）.——原注
R. W. Klebasadel, I. B. Strong, and R. A. Olsen,「Observations of Gamma Ray Bursts of Cosmic Origin,」Astrophysical Journal Letters 182（1973）: L85-89. ——原注
J. S. Bloom et al.,「Observations of the Naked Eye GRB 080319B: Implications of Nature』s Brightest Explosion,」Astrophysical Journal 691（2009）: 723-37. ——原注
N. Tanvir et al.,「A Gamma Ray Burst at a Redshift of z=8.2,」Nature 461（2009）:1254-5.——原注
搜寻伽马射线暴需要一个望远镜网络，从而可以在天气晴朗时用最大的望远镜寻找光学对应物。这是一项令人兴奋的工作，但是收益率很低。在过去 15 年已知的 5000 多次伽马射线暴中，只有不到 20 次得到了足够快速的观测，或者有足够明亮的光学对应物来测量红移。——原注
N. Gehrels and P. Meszaros,「Gamma Rays Bursts,」Science 337（2012）:932-36.——原注
S. Dong et al.,「ASASSN-15lh: A Highly Super-Luminous Supernova,」Science 351（2016）: 257-60. ——原注
A. L. Melott et al.,「Did a Gamma Ray Burst Initiate the Late Ordovician Mass Extinction?」International Journal of Astrobiology 3（2004）: 55-61. Also, B. C. Thomas et al.,「Gamma Ray Bursts and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic,and Biogeochemical Effects,」Astrophysical Journal 634（2005）: 509-33.——原注
V. V. Hambaryan and R. Neuhauser,「A Galactic Short Gamma Ray Burst as Cause for the Carbon- 14 Peak in AD 774/775,」Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 430（2013）: 32-36. ——原注
超亮 X 射线源的物理性质存在着争议。它们可能是正在发生吸积的黑洞，但其中一些也可能是正在发生吸积的中子星。此外，理论物理学家还提出了一些可以让黑洞「强迫进食」的方法，从而使辐射超过爱丁顿极限，这转而意味着黑洞质量并不需要那么大。D. R. Pasham， T. E. Strohmayer， and R. F. Mushotzky，「A 400-Solar-Mass Black Hole in the Galaxy M82,」Nature 513（2014）: 74-7 给出了近邻星系 M82 中的超亮 X 射线源是一个中等质量黑洞的证据。——原注
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L. Ferrarese and D. Merritt,「A Fundamental Relation Between Supermassive Black Holes and Their Host Galaxies,」Astrophysical Journal Letters 539（2000）: L9-12; and K. Gebhardt et al.,「A Relationship Between Nuclear Black Hole Mass and Galaxy Velocity Dispersion,」Astrophysical Journal Letters 539（2000）: L13–16. 珍妮·格林及其合作者将这种关系扩展到低质量的矮星系，包括活动的和不活动的。——原注
T. Oka et al.,「Signature of an Intermediate-Mass Black Hole in the Central Molecular Zone in our Galaxy,」Astrophysical Journal Letters 816（2015）: L7-12.——原注
R. Geroch, General Relativity from A to B（Chicago: University of Chicago Press,1981）.——原注
M. W. Choptuik,「The Binary Black Hole Grand Challenge Project,」in Computational Astrophysics, edited by D.A. Clarke and M.J. West, ASP Conference Series #123, 1997,305. This was followed by J. Baker, M. Campanelli, and C. O. Lousto,「The Lazarus Project: A Pragmatic Approach to Binary Black Hole Evolutions,」Physical Review D 65（2002）: 044001–16.——原注
J. Healy et al.,「Superkicks in Hyperbolic Encounters of Binary Black Holes,」Physical Review Letters 102（2009）: 041101–04. ——原注
以下论文不适合胆小的人：R. Gold et al.，「Accretion Disks Around Binary Black Holes of Unequal Mass: General Relativistic Magnetohydrodynamic Simulations of Postdecoupling and Merger,」Physical Review D 90（2014）: 104031– 45.——原注
我看到过西蒙·怀特的另一面，当时他是我在亚利桑那大学天文学院的同事。对于宇宙学中的任何话题，西蒙都是值得信赖的人选，他的专业知识既广泛又深入。他有本事把他的物理直觉传递给你。在与他交谈之后，我经常觉得自己比之前要聪明。他保留着一些怪癖，这标志着他是一个土生土长的英国佬。某一天傍晚，他上演了最惊人的一幕。那天我去他家参加每人自带一个菜的聚餐。食物吃完后，桌子和椅子被推到一边，西蒙领着一群人入场。他们的小腿上挂着铃铛，头上缠着手帕，手里拿着棍子。接下去他们表演了莫里斯舞，在西蒙出生的肯特郡小镇，这是自莎士比亚时代以来从未间断过的传统。我在英国长大，但从未想过我会在索诺兰沙漠地区看到莫里斯舞。——原注
E. Bertschinger,「Simulations of Structure Formation in the Universe,」Annual Review of Astronomy and Astrophysics 36（1998）: 599-54.——原注
这些方法将对 N 个粒子的计算量从 N2 减少到 N logN。因此，对于 100 万个粒子，就要进行 600 万次计算，而对于 100 亿个粒子，则要进行 1000 万次计算。——原注
J. J. Monaghan,「Smoothed Particle Hydrodynamics,」Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics 30（2002）: 543-4.——原注
对西蒙·怀特的访谈。——原注
V. Springel et al.,「Simulations of the Formation, Evolution, and Clustering of Galaxies and Quasars,」Nature 435（2005）: 629-6.——原注
M. Vogelsberger et al.,「Properties of Galaxies Reproduced by a Hydrodynamical Simulation,」Nature 509（2014）: 177-2. ——原注
对西蒙·怀特的访谈。——原注
肉眼可见的星系只有北天的旋涡星系仙女星系以及南天的两个矮星系—大小麦哲伦星云。由于大多数人居住在城市和近郊，对夜空不熟悉，因此大多数人从未见过另一个星系（三角座星系）。——原注
E. Bañados et al.,「An 800- Million-Solar-Mass Black Hole in a Significantly Neutral Universe at a Redshift of 7.5,」Nature， December 6， 2017， doi:10.1038/nature25180. 之前的纪录保持者是 D. J. Mortlock et al.，「A Lumi- nous Quasar at a Redshift of z=7.085,」Nature 474（2011）: 616-9。——原注
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A. C. Fabian,「Observational Evidence of AGN Feedback,」Annual Review of Astronomy and Astrophysics 50（2012）: 455-9.——原注
大黑洞比小黑洞先形成的现象称为宇宙降序。原因是人们普遍接受的星系演化观点是小星系先形成，然后并合形成大星系，而黑洞走的是一条不同的道路，最大的黑洞迅速生长，而数量较多的小黑洞则缓慢生长，并且生长时间较晚。降序是指大多数黑洞生长缓慢并保持相对较小的倾向。关于从模拟角度阐述的观点，请参见 P. F. Hopkins et al.，「A Unified, Merger-Driven Model of the Origin of Starbursts, Quasars, the Cosmic X-ray Background, Supermassive Black Holes, and Galaxy Spheroids,」Astrophysical Journal Supplement 163（2006）: 1-49。关于从观测角度阐述的观点，请参见 M. Volonteri，「The Formation and Evolution of Massive Black Holes,」Science 337（2012）: 544-47。——原注
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第 6 章 用黑洞检验引力
爱因斯坦的广义相对论所描述的是现实的更深层次，而牛顿的引力定律只是对这一现实的近似。当引力很强时，弯曲时空的奇异行为就会表现出来。光线会弯曲，时钟会变慢，我们的直觉会失灵。爱因斯坦的理论在发表一个世纪以后，以优异的成绩通过了所有的检验。不过，几乎所有的检验都是在弱引力的情况下进行的。
黑洞是广义相对论的终极检验场。在黑洞中，空间和时间是极端扭曲的。广义相对论预言，时间会在视界处冻结。而在距离奇点比视界远 50% 的光子球上，光子会做轨道运动，就像卫星绕着地球转那样。地球上的任何实验室都无法制造如此强大的引力。理想的情况是，我们可以对相当靠近地球的黑洞进行检验。然而，最近的恒星质量黑洞距离我们有数百光年，而最近的超大质量黑洞距离我们有数百万光年。因此，天文学家必须利用遥远的黑洞来设计实验，以新的方式来检验引力。
从牛顿到爱因斯坦的引力及其他
尽管只有利用爱因斯坦的引力理论才能理解黑洞，但黑洞并不是需要一种新的引力理论的充分理由。这个故事起始于 1665 年的英格兰。此时的艾萨克·牛顿 22 岁，早已经历了务农失败，所以他的母亲把他送到剑桥大学去学习。后来这所大学因瘟疫而停课，牛顿被迫待在家里思考引力。他快速转动系在绳子一端的石头时，可以看出石头想要飞出去，但绳子提供了一个与之抗衡的力。那么，这个使月球绕着地球运行、行星绕着太阳运行的抵抗力是什么呢？到 1687 年，他已经推断出了答案：这是一个随距离按平方反比关系减小的力。牛顿在他的巨著《自然哲学的数学原理》中详细阐述了引力理论。
天文学家很快就利用这一定律做出了越来越准确的预言。他们预言以埃德蒙·哈雷的名字命名的那颗彗星将于 1759 年 4 月返回。它确实准时返回了，这使牛顿声名鹊起。一个世纪后，法国天文学家乌尔班·让·约瑟夫·勒维耶正在研究天王星（这是自古以来发现的第一颗新行星）轨道上的一个异常现象。他推断出它受到轨道之外的某种东西的扰动，而且预言了这个闯入者的质量和位置。海王星几乎立即在柏林天文台被发现。这似乎表明了牛顿理论的解释能力是无限的。
然而，蓝色天空中飘浮着一小片乌云：水星轨道的问题。水星具有一根拉得很长的轨道，并且从地球上看起来，它离太阳最近的地方（近日点）在以每世纪 5600 角秒（大约相当于月球直径的 1.5 倍）的速度移动。勒维耶的最佳计算表明，根据已知的那些行星和牛顿定律只能得出该速度为 5557 角秒。人们对牛顿理论如此有信心，以至于假设存在着一颗未被发现的内行星，以解释这一微小差异。这颗内行星被称为祝融星。勒维耶至死都相信祝融星会被发现，但它从未被发现。事实上，牛顿的理论是有缺陷的。
1907 年，爱因斯坦重新定义物理学的「奇迹年」仅过去了两年，但他并没有试图改进牛顿的引力定律。他在伯尔尼的专利局工作，手头有大把的时间。然后，他被自己「最快乐的想法」震惊了：一个自由下落的人不会感觉到自己的体重。这个想法驱使他以一种全新的方式来思考引力。
8 年后，爱因斯坦陷入了慌乱之中。他的大部分早期工作都是独自完成的。学术界对他的接纳姗姗来迟，当时他已成为布拉格的一位物理学教授，然而这仍使他感到不安。反犹太主义在欧洲兴起，而爱因斯坦直接体验到了这种状况。我们可能很难相信爱因斯坦当时正在努力掌握构建广义相对论所需的数学知识。他最舒服的状态是依靠他那非凡的物理直觉。多年来，他勾勒出了这一理论的几种不同形式，但总是存在着一些缺陷和遗漏。1915 年夏天，他在哥廷根大学举办了一系列关于相对论的讲座，并在 1915 年 11 月取得了一个突破。他在普鲁士科学院的第四次题为「引力场方程」的讲座上宣告了这一突破。他对这些方程的关键检验是，它们能否解释水星轨道的异常位移。该理论预言的效应为每世纪 43 角秒——恰好等于观测结果与牛顿理论的预言之间的差值。爱因斯坦对他的一位同事说：「我好几天都欣喜若狂。水星近日点移动的结果令我非常满意。天文学迂腐的精确性是多么有帮助啊，我过去还经常偷偷地嘲笑它！」
在牛顿的理论中，引力的来源是质量。在爱因斯坦的理论中，质量是一个更一般的量——能量-动量张量的一部分。我们可以把张量想象成矢量的一种新奇的形式，它包含着一个物理量在空间中的每个位置上的信息。广义相对论中的质量是在弯曲时空中定义的，它在 3 个方向的每一个上都有能量和动量，因此在爱因斯坦的理论中需要用 10 个方程来描述质量与时空之间的关系。如果我们不想与「疯帽子」为伍，跳进耦合二阶偏微分方程组的兔子洞，那么这就是我们能尽量给你讲的了。
广义相对论只是 20 世纪早期的基础物理学理论之一。另一种理论是量子力学，它论述了原子和亚原子粒子的行为。这两种关于大尺度和小尺度的理论是不相容的。相对论是「平滑的」，因为事件和空间是连续的、确定的，发生的每件事都有一个可识别的、局部的原因。量子力学是「颗粒状」的，因为我们讨论的变化是通过量子跃迁离散地发生的，而产生的结果是概率性的而非确定的。这两种理论不协调的最奇怪的例子是量子纠缠。在量子纠缠中，粒子的特性可以跨越很大的距离瞬间耦合。爱因斯坦嘲笑这是「幽灵般的超距作用」，并深信有一种更深层次的自然理论可以消除量子力学的这一怪异之处。
他的探索失败了。尽管做了许多尝试，爱因斯坦还是没能在量子理论中找到致命的缺陷，甚至没能捅出几个值得注意的洞来。他试图把他的引力几何理论推广到包含电磁学，这使他对这项研究越来越灰心丧气、越来越孤立。1955 年，他在普林斯顿去世时在黑板上留下了一组未解的方程。
调和这两种伟大理论的职责或者说是重任，由接下来的几代物理学家承担了。最终的目标是获得一种可以解释所有物理现象的「万有理论」。自然界有 4 种基本相互作用力，其中两种适用于亚原子尺度，即强核力和弱核力；另外两种适用于非常大的距离，即电磁力和引力。在 20 世纪下半叶，物理学家在统一这些力方面取得了一些进展。20 世纪 70 年代的加速器实验表明，电磁力和导致放射性的弱核力是同一种电弱力的不同表现形式。此外还有实验几乎成功地把强核力融入其中。这个宏大的体系被称为粒子物理的标准模型，但是引力顽固地拒绝成为这个模型的组成部分。没有人见过引力子，即传递引力的假想粒子。只有当温度达到不可思议的 1032 开时，才会发生将引力也包括在内的统一（见图 44）。我们所知道的唯一能达到这一温度的情况是大爆炸后 10-43 秒，那时宇宙只有一个基本粒子那么大，广义相对论在这个最初的奇点崩溃毁灭。
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图 44 自然界的 4 种基本相互作用力包括两种作用范围无限的力（引力和电磁力）以及两种在亚原子尺度上起作用的力（强核力和弱核力）。它们都具有非常不同的强度，但有证据表明，在极高的能量下，它们会统一成一种「超级作用力」。20 世纪 70 年代，人们在加速器中看到了弱核力和电磁力的统一，而现在有迹象表明终有一天我们会实现弱核力、电磁力与强核力的「大统一」（欧洲核子研究组织/CMS 合作项目）
处理量子引力的方法有好几种。圈量子引力遵循毕达哥拉斯的思维过程。他设想把一块石头一劈为二，再一劈为二，直至达到极限。在这种情况下，一英寸被一分为二，再一分为二，直至达到「原子」或空间的不可分割单位。圈量子引力是一种将量子力学形式体系直接推广到引力的尝试。更加根本的方法包括弦理论和超越我们熟悉的三维的额外空间维度。从牛顿到爱因斯坦再到其他人的工作（从刚性的、线性的到柔软的、弯曲的，再到瞬息的和颗粒状的），这是物理学中最重要的未完成项目。研究工作异常困难，进展一直很缓慢。
我们在第 1 章中看到，黑洞不仅具有极端的引力，而且有量子效应。任何将弯曲时空的「平滑」世界与亚原子粒子的「颗粒状」世界调和起来的新理论，都会在黑洞中面临其最重要的挑战。
爱因斯坦曾经说过，只有两件事可能是无限的：宇宙和人类的愚蠢。而他对于宇宙并不确定。地球上的一些最聪明的人正在试图提出一种量子引力理论。他们可能成功，也可能失败。与此同时，通过检验和设法摧毁广义相对论，他们也可以取得进展。正如另一位伟大的物理学家理查德·费曼所说：「我们正试图尽可能快地证明自己是错的，因为只有这样，我们才能取得进步。」
黑洞对时空做了什么
黑洞可以被定义为一个区域，其中的时空弯曲程度之甚使其从宇宙的其余部分中被「掐掉」。但即使在离黑洞有些距离的地方，时空曲率也会导致粒子和光线发生偏折。当爱因斯坦建立广义相对论时，黑洞还不为人们所知。因此，用于检验他的理论的是一种微妙得多的效应：当一颗遥远的恒星发出的光在前往地球的途中掠过太阳时，会发生轻微的偏折。这种现象在日食期间最容易被观察到，因为此时太阳被月球遮蔽了，从而使背景星变得可见。1919 年，就在广义相对论发表 3 年后，亚瑟·爱丁顿和他的同事同时在巴西和南非测量了这一偏折，结果与爱因斯坦的预言相符。
这一结果登上了大多数报纸的头版。在一场漫长而血腥的战争终结时，一位英国科学家证实了一位德国科学家的研究成果，这一象征意义无疑使这出戏更加精彩。爱因斯坦一夜成名。他对结果极为有信心。有人问他，如果这次远征没能证实广义相对论，他会有什么反应。他说：「那么我会为亲爱的上帝感到遗憾。这一理论无论如何都是正确的。」
质量会使光线发生弯曲。鉴于这一事实对爱因斯坦的理论及声誉的重要性，他迟迟没有认识到其更广泛的含义是令人惊讶的。他知道，如果光线近距离掠过一个质量足够大的物体，那么这些光线的弯曲程度就足以使它们会聚起来，形成背景光源的一个放大的像或多重像。由于这一过程类似于光通过透镜时所发生的弯曲，因此研究者称之为引力透镜效应。在一位身为工程师的同事的敦促下，爱因斯坦终于在 1936 年发表了一篇关于引力透镜效应的论文，论文的前言极其缺乏自信：「前些时候，R. W.曼德尔来访，让我发表他要求我做的一个小计算的结果。这篇短文依从了他的愿望。」他给杂志编辑写了一封自贬的短信：「我也要感谢你为这篇小文章的发表所给予的合作，这是我被曼德尔先生压榨出来的。它几乎没什么价值，但可以让那个可怜的人快乐。」
关于引力透镜的价值（见图 45），爱因斯坦的看法可谓大错特错。它已经成为现代天体物理学中的一件必不可少的工具，被用来绘制星系和整个宇宙的暗物质分布图，测量宇宙的几何形状和膨胀速率，限制暗能量，进行褐矮星和白矮星巡天，还用来探测比地球小的系外行星。
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图 45 根据广义相对论，质量会使光线发生弯曲。如果一个像星系团一样的大质量天体位于我们与一个更遥远的星系之间，那么时空就会被扭曲，来自遥远星系的光线就会绕着星系团发生偏折，结果会形成被扭曲、放大的像。由于引起透镜效应的是所有质量，而不仅仅是可见物质，因此这是测量宇宙中暗物质的量的一种方法（L.加尔各答/美国国家航空航天局/欧洲航天局）
爱因斯坦认为引力透镜效应太小，因此无法测量。但是在他的论文发表后不出数月，加州理工学院的天文学家弗里茨·兹威基就认识到，集合在星系中的数十亿颗恒星可以产生可观测的引力透镜效应。他在一篇有先见之明的论文中，从本质上概述了引力透镜的所有现代用途。然而，直到 1979 年（40 多年以后），引力透镜效应才被观测到。观察的对象是数十亿光年之外的一个超大质量黑洞。
由英国射电天文学家丹尼斯·沃尔什领导的一组研究者用基特峰的 2.1 米口径望远镜发现了两个光谱完全相同的类星体。在天空中发现两个非常靠近的、光谱完全相同的类星体的概率非常低，以至于在去基特峰的路上，沃尔什在同事德里克·威尔斯的黑板上写了一个赌约：「找不到类星体，我付给德里克 25 美分。找到一个类星体，他付给我 25 美分。找到两个类星体，他付给我 1 美元。」沃尔什回忆道：「第二天早上我打电话给德里克，告诉他我们发现了什么，我们都大笑起来。然后我说：『你欠我 1 美元。假如我刚才对你说两个类星体，相同红移，100 美元，你会接受吗？』他说：『当然会。』所以，我损失了 99 美元，但是保留了一个朋友……我有 4 个十几岁的儿子，他们没有一个对科学特别感兴趣。所以当他们问我这个引力透镜有什么用时，我可以说：『嗯，我用它赚到了钱。』」
这两个类星体看起来像一对完全相同的双胞胎。但是，与其说它们是两个碰巧具有相同光谱的类星体，倒不如说它们更像海市蜃楼。从一个类星体发出的光在一个介于中间的星系两侧经过两条不同的路径，形成了两个像。一个大质量星系造成的光线弯曲是非常微小的，只有千分之一度。在首例引力透镜中，光经过 87 亿年才到达我们这里，但它经过星系一侧的路径要比另一侧远 1 光年。由于类星体发出的光的亮度在发生变化，因此在一个像中看到的光变与另一个像相比有一年多的时间延迟。这种效应已被巧妙地用来测量宇宙的膨胀速率。
引力透镜效应很罕见，因为它依赖背景类星体和前景星系近乎完美地沿视线排列。在得到研究的成千上万个类星体中，我们只发现了不到 100 例引力透镜效应。其中有几十例具有完美的排列，因此中间的星系不是将类星体点源变成多重像，而是将其变成了一个爱因斯坦环——广义相对论在发挥作用的一个精美展示。取决于几何结构的不同，来自超大质量黑洞附近的吸积能量的光呈现为一段弧、多重像或一个完美的环。
20 世纪 90 年代，当哈勃空间望远镜开始运作时，另一类引力透镜效应被发现了。这不是单个类星体发出的光由于透镜效应而形成多重像，而是多个遥远星系发出的光由于介于中间的一个星系团而产生透镜效应。有时会形成多重像，但更常见的情况是背景星系的光被剪切形成弧。这类透镜的特征是有一些小弧围绕着一个星系团的中心排列成同心圆（见图 46）。每一个被扭曲的像都是引力光学的一次实验。已有数百个星系团都呈现出这些弧，因此天文学家已经积累了数万个质量使光线弯曲的例子。
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图 46 弗里茨·兹威基在 1937 年预言了星系团的引力透镜效应，但是直到 20 世纪 80 年代，在哈勃空间望远镜具备了敏锐成像能力后天文学家才观测到这种效应。在这张图片中，星系团 Abell 2218 导致了更多遥远星系的扭曲和放大。由于引力透镜效应而形成的弧围绕着该星系团的质心形成一个个同心圆。在某些情形下，一个遥远的星系可以有 5～7 个独立的像（W.库奇、R.埃利斯/美国国家航空航天局/欧洲航天局）
无论是可见的质量，还是不可见的质量，所有的质量都会使光线弯曲，因此引力透镜效应为天文学家提供了一种最佳工具，去绘制暗物质在星系、星系团和星系际空间中的分布。引力透镜效应提供了最好的证据，证明暗物质确实存在，并且是宇宙的一种主导的、无处不在的成分。
黑洞如何影响辐射
黑洞的视界是一个时间静止、辐射静止的地方。光具有普遍的、恒定的速度——300000 千米/秒，这是爱因斯坦提出狭义相对论的一个前提。正在离开黑洞的光与引力的对抗是如此激烈，以至于它的速度被压低，能量被削弱。这种效应被称为引力红移。黑洞的视界对应着一个红移无限、光线被俘获的地方。
没有黑洞来检验这一理论，那么我们怎样理解引力会对辐射产生什么影响？让我们来利用一个置于地球上的思想实验。想象有一座塔，我们从塔底向塔顶发送一个光子，把它的能量转变成质量（根据 E=mc2），再让该质量下落到塔底，然后把它重新转变成光子。这听起来简单直接，但是请等一下。如果我们让该质量下落，它就会加速并获得引力能。引力能的增量是 mgh，其中 m 是质量，g 是由于地球的重力而产生的加速度，h 是塔的高度。当我们把质量转变成光子时，它会具有更多的能量。我们可以反复不断地这样做，从而创造能量，变得富有！既然没有人通过上上下下循环光来赚钱，那么我们的假设中肯定有缺陷。在这一方案中，使能量守恒（换句话说，就是使能量保持不变）的唯一方法，是假定光在以下意义上受到重力的影响：当光远离地球表面时会失去能量。失去能量意味着光的波长将变长。这就是引力红移。
想象一个基于光的频率的时钟。把时钟放在塔底。如果我们从塔顶进行观察，光子到达我们时就会失去能量，所以它们的频率会降低。我们看到时钟变慢了。相反，如果我们在塔底向上看，塔顶的时钟会走得稍快一点。时间在强引力中流逝得较慢是广义相对论的另一个预言。据说物理学家理查德·费曼提出过一个有趣的例子，他预测地球中心比地球表面年轻两年半。这叫作引力时间膨胀。红移与时间膨胀效应密切相关。光及其他形式的电磁辐射都具有与频率成反比的波长。当光的能量在与引力对抗的过程中减弱时，它的波长会变长，而它的频率会降低，这就相当于说光的「时钟」变慢了。
1925 年，沃尔特·亚当斯首次观测到引力红移。他测量了近邻白矮星天狼星 B 的谱线移动量。由于天狼星 B 是一个双星系统的组成部分，因此它的质量是已知的，而测得的谱线移动量相当于波长的万分之几。相比之下，一颗像太阳这样不那么致密的恒星所造成的谱线移动量为波长的百万分之几。不幸的是，由于其明亮得多的伴星天狼星 A 带来的光污染，这一测量结果存在着缺陷，因此，科学家当时并没有考虑到这种效应已得到了证实。
罗伯特·庞德和他的研究生格伦·雷贝卡在 1959 年完成了一项实验，这是第一次科学家在实验室中检验广义相对论。他们测量了放射性铁产生的伽马射线沿着哈佛大学校园里的一座塔上行 22.6 米时的光谱移动量，能量的微小损失（小于 3/1015）在 10% 的水平上证实了广义相对论的预言（见图 47）。使用原子钟作为引力探测器使研究取得了进展。1971 年，经测定装载在一架商用喷气式飞机上在高空中飞行的一个铯原子钟比美国海军天文台的一个完全相同的铯原子钟快了 273 纳秒。1980 年进行的一项更好的检验使用了装载在火箭上的一个脉泽钟，将检验结果与相对论的一致性提高到了 0.007%。目前最先进的技术是测量原子的量子干涉。广义相对论以小于百万分之一的惊人精确度得到了证实。我们可以肯定地说，当我们把一个时钟抬高不到 1 米时，它确实走得更快！
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图 47 1959 年对广义相对论的第一次实验检验是当时尝试过的最精确的物理实验。哈佛大学的物理学家罗伯特·庞德和他的研究生格伦·雷贝卡测量了铁 57 放射性衰变产生的伽马射线在向上和向下移动 22.6 米距离时的能量。向下运动的光子发生了蓝移，向上运动的光子发生了红移，其移动的量与广义相对论预言的值完全一致。这一检验所需的实验精度是 10 的 15 次方分之几（R.内夫）
天文学家也参与到这项行动之中。星系团是宇宙中质量最大的天体。来自星系团中心（那里聚集着许多星系）的光子应该比来自星系团边缘（那里的星系较少）的光子损失更多的能量。尼尔斯·玻尔研究所的拉德克·沃塔克领导的一个团队寻找了这种效应。这种效应非常小，以至于他们不得不将 8000 个星系团的数据结合起来才能探测到。爱因斯坦的理论又一次得到了证实。
一个好的思想实验会引起这样的反应：当然，这是显而易见的！回想一下英国生物学家托马斯·赫胥黎听到达尔文的自然选择理论时的反应：「没想到这一点，真是愚蠢至极！」爱因斯坦的电梯揭示了广义相对论之美。电梯向地面自由下落与在深空中飘荡是一样的，因为重力已经被移除。一部在空间中每秒钟加速 9.8 米的电梯与地面上的电梯是一样的，因为重力引起的加速度和任何其他力引起的加速度是无法区分的。电梯加速运动时，想象你在电梯中用手电筒进行照射。在光从电梯的这一端到另一端所需要的瞬息时间中，电梯一直在加速，所以光沿着向下弯曲的路径穿过电梯。爱因斯坦的理论认为，固定在地面上的电梯中也必定会发生同样的事情。光因重力而「下落」。或者用相对论的语言来说，地球的质量使空间弯曲，因此光沿着地球附近弯曲的时空行进时发生轻微弯折。
到目前为止，我们已经描述了对广义相对论的一些「经典检验」。在这些检验进行时，重力都是如此微弱，以至于时空的曲率很小，扭曲很轻微，这就需要极为精确的测量。将近 50 年前，长期担任哈佛-史密斯天体物理中心主任的欧文·夏皮罗独创性地提出了对广义相对论的一种弱引力检验方法。他意识到，如果雷达信号中的光子行进的路径靠近太阳，那么雷达信号在雷达与其他行星之间的往返行程就会有轻微的时间延迟。他通过测量水星和金星被太阳遮挡前后的雷达反射信号，在 5% 的水平上证实了广义相对论。美国国家航空航天局的「卡西尼」号宇宙飞船在太阳系外重复了这一测试，并在 0.002% 的水平上取得了一致结果。
这些检验工作证实了广义相对论，也检验了它相对于牛顿理论的优越之处。但是，在像爱荷华州（又译为艾奥瓦州）玉米地一样平坦的空间中检验相对论，多少有点令人不满意的地方。这就像在停车场中试驾一辆兰博基尼一样。当然，它的表现比你那辆老福特金牛座要好，但这把门槛设得太低了。比这好得多的做法是，在山区高速驾驶这两辆车。在那里兰博基尼动力十足地冲上山坡，顺利转过弯道，而那辆福特金牛座的发动机会过热，并倾覆出道路。天文学家期待着最终用黑洞来检验广义相对论，因为黑洞对辐射的影响应该是惊人的。我们将在下一节中看到，科学家利用吸积盘的光谱学表现，已经探测到了来自黑洞的巨大引力红移。
铁幕之内
黑洞附近是对广义相对论的终极检验之处。我们的观测能达到多近？视界定义了这一极限，因为没有任何信息能穿过视界到达地球。广义相对论还描述了视界之外的几个重要尺度。第一个尺度被称为光子球，光在那里被俘获，于是沿着围绕黑洞的圆轨道进行传播。由于质量会使光线弯曲，因此我们可以想象质量使光线弯成一个圆。如果你能去到黑洞那里，那么光子就可能会从你的后脑勺开始绕着黑洞转一圈，然后进入你的眼睛，让你看到你的后脑勺。对于一个静态的黑洞，光子球的半径是史瓦西半径的 1.5 倍。一个旋转的黑洞有两个光子球，并且它在旋转时会拖曳空间随之旋转。内光子球沿旋转方向运动，外光子球沿旋转方向的反方向运动。想象一个游泳者试图逃离大旋涡。他逆流向上游才能坚守自己的阵地。如果他随波逐流，就会被拉得离厄运更近。由于光子被俘获，因此光子球从未被观测到。
下面，让我们进入吸积盘内缘的观测领域。当粒子被引力拉向黑洞时，它们会互相摩擦，因此吸积盘是温度向外逐渐降低的等离子体。内边缘由一个最内层的稳定轨道来定义，对于一个不转的黑洞，这一轨道半径是史瓦西半径的 3 倍；而对于一个快速自旋的黑洞，这一轨道在视界略外面一点。在这个稳定轨道内，粒子会坠入黑洞并永远消失。一个低质量黑洞的吸积盘内缘的温度为 1000 万开，而一个超大质量黑洞的吸积盘内缘的温度为 10 万开。如此炽热的气体会放出大量的 X 射线。
我们能看到吸积盘的内缘吗？不能。由于其角尺度太小，因此任何望远镜都无法分辨。一个距离我们 100 光年的近邻黑洞，其内缘的张角为 10-9 角秒。这就好比试图看到火星表面的一根大头针的针尖。对于超大质量黑洞（比如在近邻星系中心发现的那些不活跃黑洞）来说，情况略有改善。它们与地球的距离比近邻黑洞要远几百万倍，但视界要大 10 亿倍，因此它们的内吸积盘张角是 10-7～10-6 角秒。这是前文描述的射电干涉仪的分辨率的几百分之一，所以仍然超出了观测天文学的能力。
天文学家能窥视铁幕之内的唯一方法是利用光谱学。吸积盘中的气体几乎全部由氢离子和氦离子组成，但每 100 万个粒子中有两个是铁离子。紧靠吸积盘之外的区域是一个非常炽热的冕。这个冕发出的 X 射线照射稍冷一些的吸积盘，其能量正好激发铁的光谱发生跃迁。虽然铁是一种稀有元素，但这些光谱的特征锐利而强烈。X 射线光谱显示了气体在如何运动，因为吸积盘正在靠近我们的那部分发生了蓝移，而正在后退的那部分则发生红移。来自吸积盘内部的 X 射线还受到强烈的引力红移作用，因此铁的谱线变宽，并且向较低能量一侧倾斜（见图 48）。X 射线提供了一种令人激动的可能性，用来测量视界喷溅距离内的引力。
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图 48 铁的谱线可用作探测黑洞周围吸积盘高温内区的探针。黑洞造成的引力红移使这条谱线向低能端倾斜。当黑洞与吸积盘沿相反方向旋转（逆行）时，吸积盘内缘远离黑洞；当它们沿相同方向旋转（顺行）时，吸积盘内缘离黑洞较近。这些差异可以在 X 射线光谱中看到（美国国家航空航天局/喷气推进实验室/加州理工学院）
1993 年发射的 X 射线卫星 ASCA 使得这些观测变得可能了。一年后，它首次探测到从一个大质量黑洞吸积盘内缘发出的 X 射线。现在我们已经从十几个恒星质量黑洞和差不多数目的超大质量黑洞中观测到了 X 射线谱线的引力红移。此外，几年前科学家又发现了一种令人费解的 X 射线现象，这成为观测黑洞附近区域的第二个窗口。
深渊附近的 X 射线闪烁
20 世纪 80 年代，当 X 射线卫星开始监测致密恒星和恒星遗迹时，发现了一些 X 射线快速变化的源。它们的闪烁没有节奏，所以这种现象被称为准周期振荡。首先观测到存在这种振荡的是白矮星，后来又有中子星和黑洞。
天文学家花了一段时间才弄清这些变化背后的天体物理学原理。对于不同的源，时标范围从 1 毫秒到 1 秒不等，而且周期行为常常在更混乱的噪声变化中丢失。黑洞显示出一种特殊的变亮和变暗模式，最初完成一次振荡需要 10 秒，在几周或几个月后加速到 0.1 秒，然后变化停止，接着再重复这个循环。天文学家对原型黑洞天鹅座 X-1 的观测和模拟揭示了这些变化的来源。它们是气体离开吸积盘内部并冲向视界时留下的脉冲。实时看到物质坠入黑洞时的垂死挣扎场景令人感到惊心动魄。
天文学家推测这些变化的频率可能取决于黑洞的质量。气体在吸积盘中螺旋式向内运动，速度越来越快，在黑洞附近堆积起来，于是迸发出大量 X 射线。对于小黑洞，这个拥挤区域向内靠近，所以 X 射线「时钟」滴答得很快。对于较大的黑洞，这个区域向外远离，所以 X 射线「时钟」滴答得较慢。这种行为如此可靠，以至于 X 射线的变化已经被用来测量黑洞的质量，其中包括已知的最小黑洞。它的直径只有 24 千米，质量是太阳的 3.8 倍，勉强超过中子星的质量极限。
最近，由阿姆斯特丹大学的亚当·英格拉姆领导的一个团队将 X 射线变化数据与铁的谱线形状结合了起来。英格拉姆是从 2009 年攻读博士学位时开始研究准周期振荡的。他说：「人们很快就认识到这是一件令人着迷的事情，因为它来自非常靠近黑洞的地方。」他的团队利用来自两颗 X 射线卫星的数据，揭示了这些沿轨道运行的物质被黑洞产生的引力旋涡俘获。他说：「这有点像在蜂蜜里搅动勺子。想象蜂蜜是空间，任何悬浮在蜂蜜中的东西都会被搅动的勺子四处『拖』动。」他们选择了一个振荡时间为 4 秒的黑洞，仔细观测了近 3 个月。铁的谱线显示的正是广义相对论所预期的行为。英格拉姆说：「我们正在直接测量物质在黑洞附近强引力场中的运动。」这仍然是对爱因斯坦的理论在这个领域中为数极少的检验之一。
我们在活动星系中也看到了准周期振荡，其变化时标从几小时到几个月都有，而不是几秒。其中令人激动的发现是，从恒星级黑洞到遥远星系中的超大质量黑洞，吸积盘在一个巨大的物理尺度范围内表现出类似的行为。
当黑洞吞噬一颗恒星时
超大质量黑洞吞噬恒星时会发生什么？1998 年，马丁·里斯大胆地给出了一个答案。多年来，他一直在思考如何才能探测到应该潜伏在每个星系中心的黑洞。他考虑过一颗不幸的恒星冒险进入一个极端引力区域时会发生什么。当这颗恒星接近黑洞时，它首先会被拉长，然后被潮汐力撕裂。一些碎片被高速喷射出去，其余的则被黑洞吞噬，由此导致的明亮闪耀现象可能会持续数年。
如果恒星不是非常接近黑洞，它就会避免这种命运。每个黑洞都有一个潮汐瓦解半径。在这个界限之外，恒星就能保持它们的形状。一旦有一颗恒星进入这个空间，毁灭就开始了。这颗恒星的大约一半的质量被抛出，剩下的一半进入椭圆轨道，并逐渐将气体转移到吸积盘上。黑洞以紧靠视界之外的这些物质为食，并将引力能转化为辐射，从而产生明亮的闪耀。有时这一事件会触发相对论性喷流（见图 49）。想象太阳正在靠近我们银河系中心的黑洞。如果太阳在离视界 1.6 亿千米之外，那么什么都不会发生。随后太阳会被撕裂，包括地球在内的所有行星都会像保龄球瓶子一样散开，它们被喷射到安全地带或者被黑洞吞噬的概率相同。要达到这么近的距离是不大可能的，所以潮汐瓦解事件很罕见，每个星系大约每 10 万年发生一次。
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图 49 美国国家航空航天局的一颗卫星观测到了一次闪耀，其缘于遥远星系中的一个大质量黑洞对一颗恒星的潮汐瓦解。这颗恒星处于偏心轨道上，因此它会从黑洞附近经过，并被强大的潮汐力撕裂。有些气体供给吸积盘，有些则脱离了黑洞引力的影响。吸积盘形成喷流，喷流加速高能粒子，然后向地球发射大量辐射（美国国家航空航天局/戈达德航天飞行中心）
当一颗类太阳恒星靠近一个几百万太阳质量的中心黑洞时，潮汐瓦解半径会远远超出史瓦西半径。但是史瓦西半径随质量线性增大，而瓦解半径增大得较慢，所以恒星在被撕裂之前已被超过 1 亿倍太阳质量的黑洞吞噬。想想大黑洞生吞整具躯体，而较小的黑洞则把肉撕碎吃掉的画面。此外，恒星的命运取决于它的大小和演化阶段。大恒星受到的潮汐力较强。因此一颗向银河系中心前进的红巨星被瓦解的距离会比太阳远得多，而一颗白矮星则会在不被瓦解的情况下消失在视界之内。数值模拟表明，瓦解事件后的吸积速率对黑洞质量很敏感。如果这些模拟是可信的，那么从瓦解到达到闪耀亮度峰值的间隔时间就可以用来「称重」黑洞。对于一颗像太阳这样的恒星，由一个质量为太阳 106 倍的黑洞造成的时延是一个月，而由一个质量为太阳 109 倍的黑洞造成的时延则达 3 年。
观测结果说明了什么？天文学家用 X 射线望远镜已经观测到大约 20 个潮汐瓦解事件，其中有几个事件的吸积如此高效，以至于其亮度远远超过爱丁顿在一个世纪前所界定的极限。有一小组事件表明，吸积量的激增可以为在射电类星体中看到的相对论性喷流提供能量。所有这些例子都发生在遥远的星系中，因此当天文学家意识到一片叫作 G2 的气体云正在向银河系中心的黑洞移动时，他们感到非常激动。2013 年末，气体云非常近距离地经过大质量黑洞，结果……什么也没有发生。但在那次近距离经过后一年左右，X 射线闪耀的频率增加了 10 倍，达到每天一次。这导致人们猜测 G2 不是气体云，而是一颗有一个大包层的恒星，因此它的物质被撕裂并落入黑洞就需要较长的时间。表演还没有结束。经过 15 年的数据收集，X 射线天文学家正在等待 G2 再次经过。考虑到我们所看到的银河系中心的一切都形成于 2.7 万年前，这一事实就使人们的预期略微失色了一点。
与此同时，光学天文学家的注意力则紧盯着 S2，这是一颗每 16 年环绕银河系中心黑洞运转一周的恒星。他们有一种叫作 GRAVITY 的新工具，它将欧洲南方天文台的 4 架 8.2 米口径望远镜的光线结合在一起，得到了相当于单架 130 米口径望远镜的角分辨率。2018 年，S2 将非常近距离地经过黑洞，从而获得一个前所未有的检验广义相对论的机会。预计它经过时距离视界只有 17 光时，运动速度是光速的 3%。它可能被撕裂或被完全吞噬。
一颗恒星被黑洞毁灭，这当然会引发人们的想象。这就导致 2015 年出现了一篇采用饮食类比的新闻报道：「黑洞大口小口地吞噬着恒星。」这又触发了英国《每日邮报》（Daily Mail）的这个过度夸张的标题：「一场恒星大屠杀的回响：探测到垂死恒星被超大质量黑洞撕裂时发出的喘息声。」恒星没有感情，它们不会发声，声音也不会在真空中传播，但是除了这些不是实情以外，这个标题还是相当准确的。
让黑洞自旋
黑洞是非常简单的，「无毛」定理说明描述它们只需要两个参数：质量和自旋。我们在本书中讨论了测量黑洞质量的方法。如果黑洞是一颗坍缩的恒星，那么这些方法通常需要用到一颗可见伴星的轨道。如果黑洞的质量很大且位于一个星系的中心，那么就需要用到它对邻近恒星运动的影响。但是如何测量自旋呢？
在牛顿理论中，引力并不依赖自旋。但是在爱因斯坦的理论中，质量与时空几何是相互耦合的。1918 年，有人预言大质量天体的旋转会扭曲时空，从而使附近的一个较小天体的轨道产生岁差，就像一个旋转的陀螺的枢轴转动。这种空间轮廓的扭曲称为「惯性系拖曳」。回忆一下爱伦·坡对大旋涡的生动描述。就像广义相对论的其他微妙影响一样，首先要去看的地方近在咫尺。
地球在自转的同时也在扭曲时空，但这种影响是如此之小，以至于几十年来人们都认为这是不可能探测到的。2004 年，美国国家航空航天局发射了一颗名为引力探测器 B 的卫星，用来测量由地球引起的时空曲率以及由地球自转引起的更细微的惯性系拖曳。在这项工作中所使用的工具是 4 个乒乓球大小的陀螺仪。陀螺仪常用于引导航天器，它们的旋转轴指向一个固定的方向。引力探测器 B 上的陀螺仪包含几个表面包覆着铌的石英球。它们是有史以来加工最精细的物体之一，偏离球形的误差在 40 个原子以内。如果放大到地球那样大小来说，那么这一精度就相当于最高的高峰与最低的低谷之差不足一人高。它们由一层薄薄的液氦与容器隔离。在这种情况下，这些球就变成了超导体，它们产生的电场和磁场用来保持它们排成一条直线。
引力探测器 B 在最初获得资金 50 年后才开始执行为期 16 个月的任务。陀螺仪锁定了飞马座的一颗明亮的恒星。卫星通过陀螺仪「斜向」地球引力的微小角度来测量时空曲率，通过陀螺仪「滞后」于自转地球的更小角度来测量惯性系拖曳。意料之外的噪声降低了实验的灵敏度，减慢了分析的速度。这些令人头痛的问题导致最终结果直到 2011 年才公布。爱因斯坦对时空曲率的预言在 0.5% 的精度内得到证实，他对惯性系拖曳的预言在 15% 的精度内得到证实（见图 50）。尘埃落定后，事实证明引力探测器 B 是一个成功的（尽管令人筋疲力尽）技术杰作。
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图 50 引力探测器 B 在地球轨道弱场情况下检验了广义相对论的两个特定预言。陀螺仪被用来将卫星非常精确地锁定到一个天体参考系上。这颗卫星测量了测地岁差，即陀螺仪「斜向」地球引力的量，并测量了陀螺仪「滞后」于自转地球的惯性系拖曳效应。这两个测量的结果都与广义相对论的预言相符（C. W.F.埃弗里特/美国物理学会）
自旋对于低质量和高质量黑洞有着不同的含义。双星系统中黑洞的质量比它们的伴星的更大，所以它们的自旋不会因为彼此之间的相互作用而发生太大的变化。它们的自旋速率是从它们在超新星爆发中形成时直接遗留下来的。相比之下，大质量黑洞通过消耗星系内部的气体和恒星，并且与其他星系中的黑洞并合，随着宇宙时间而不断生长。于是，一个大质量黑洞的自旋中编码了它通过吸积和并合而成长的历史。进行这种艰难测量的动机就在于此。
天文学家已经测量了几十个超大质量黑洞的自旋。在大多数情况下，测量使用的是被从吸积盘内缘反射出来的铁的谱线形状。从 100 万到 10 亿倍太阳质量的大多数黑洞的自旋速率都在光速的 50% 到 95% 之间。如此快速的自旋速率表明，这些黑洞是在与另一个星系发生了仅仅一次大并合之后生长的。而在这一并合过程中，进入的大部分物质从一个方向到达。与此相反，如果黑洞是在多次小并合过程中产生的，那么物质就来自不同的方向，于是平均下来会获得一个较慢的自旋速率。
测量自旋的最佳方法是使用探测吸积内区的那些数据类型：铁线光谱、准周期振荡和罕见的潮汐瓦解事件。致密恒星的自旋速率的极限是多少？对于中子星，只有当一个热斑发出像探照灯一样扫过天空的射电波时，才能测量出这一小部分中子星的自旋速率。最快的脉冲星每秒自旋 716 次；理论极限是每秒 1500 次，超过这个极限，脉冲星就会碎裂。黑洞的最大自旋速率不是由物质的结构决定的，因为所有的信息都被视界所隐藏。它是由视界圆周以光速运动处的自旋速率决定的。位于天鹰座中的 GRS 1915+105 距离我们 3.5 万光年，它在以令人眩目的 1000 转/秒的速率自旋。这比最高速率的 85% 还要快。原型黑洞天鹅座 X-1 的自旋速率没有那么快，但它 790 转/秒的速率已达理论极限的 95%。
让我们试着想象一下这些高速旋转的「苦行僧」。GRS 1915+105 的质量是太阳的 14 倍，所以它的史瓦西半径是 42 千米。想象这个黑洞在伦敦上方的高空大气中盘旋。它看上去会是一个黑斑，覆盖 1/10 的天空。它投下的阴影不仅会覆盖伦敦，而且会覆盖英格兰南部的大部分地区。虽然它的大小只有地球的 1/300，但是质量比太阳还要大得多。军用喷气式飞机的发动机涡轮旋转得如此之快，以至于它发出的声音比中央 C 还要高两个八度，属于女高音歌手的音域。如果这个黑洞能发出声音，那么音高也与此相似，尽管它有一个大城市那么大！
在另一个极端，让我们考虑活动星系 OJ 287 的双黑洞中的那个大成员，它距离我们 35 亿光年。这个黑洞的质量是太阳的 180 亿倍，史瓦西半径是 500 亿千米，其赤道处的自旋速率是 10 万千米/秒，或者说是光速的 1/3。虽然这种情况更难想象，但让我们设想一下这个超大质量黑洞潜伏在太阳系上方空间中的某处。它的大小是太阳系的 10 倍，但质量相当于一个小星系。这样大小的一个黑洞具有比较悠闲的自旋速率，但它仍然达到每 5 周旋转一圈。下面通过对比来显示这种行为有多么奇怪。如果太阳系中的一个遵循牛顿定律的天体到太阳的距离与这个黑洞的视界相同，那么它每 5000 年才会绕太阳公转一圈。在近邻宇宙中没有任何东西能为我们呈现出这种极端运动。
视界望远镜
「我们正在全力以赴，以期最好的结果。」谢普·杜勒曼在墨西哥南部的一座 4600 米高的火山顶上啜饮着古柯叶茶，以对抗高原反应。尽管他说了这些乐观的话，但这个夜晚并不顺利，因为他要与仪器出现的问题进行斗争。他的射电望远镜不断被新落下的雪填满。「如果有什么东西在绕着黑洞边缘跳舞，那么没有什么比这更基本的了。希望我们能找到一些令人惊奇的东西。」
杜勒曼曾是俄勒冈州波特兰市里德学院物理专业的一名学生，那里的理科生运行自己的核反应堆。由于渴望去漫游，因此他在读研前休息了两年，其间大部分时间在南极洲做科学实验。在麻省理工学院读研究生时，他尝试过学习等离子体物理学和地质学，后来他看到了用甚长基线干涉测量技术绘制的美丽的类星体喷流分布图，便决定研究射电天文学。杜勒曼意识到这项技术为拍摄黑洞提供了最好的机会，他非常清楚该往哪里看：人马座方向上被称为人马座 A*的超致密射电源。
银河系中心是这项研究的一个引人注目的目标。除了它在所有黑洞候选者中拥有最令人信服的证据之外，它也是最容易研究的。银河系中心的黑洞的视界张角为 50 微角秒。这是一个极小的角度，但它比分辨河外星系中超大质量黑洞的视界要容易得多，比分辨最近的恒星质量黑洞的视界更加容易。因此它成为想要探测黑洞并以一种新的方式检验广义相对论的天文学家的聚集地。
杜勒曼是「视界望远镜」项目的年轻领导者。视界望远镜并不是一个单独的设备，它是由分布在世界各地的 11 架射电望远镜组成的一个阵列。从智利到南极洲，到夏威夷，到美国亚利桑那州，再到西班牙，所有的射电望远镜协同合作，以期达到像地球那么大的单架望远镜的成像清晰度。操作一架像地球那么大的望远镜需要一个精确到每个世纪仅相差 1 秒的原子钟。来自 20 个机构的天文学家正在进行这项研究。收集数据的射电波长是 1 毫米或更短。毫米级的射电波会受到大气中水蒸气的影响，所以大多数望远镜都位于寒冷干燥的地方。因此杜勒曼不仅要看着望远镜被雪填满，而且还必须戴上氧气面罩在安第斯山脉测试设备，此外还要冒着四肢被冻伤的危险在南极用望远镜进行观测。
一个由 30 位科学家和工程师组成的团队在美国亚利桑那州南部的基特峰运行一架射电碟形天线，该望远镜是该阵列的重要组成部分。我在亚利桑那大学的同事菲瑞亚·奥泽尔和迪米特里奥斯·帕萨尔迪斯正在一台强大的超级计算机上使用数值相对论和光线追迹手段来计算黑洞的外观。另一位同事丹·马隆每年都要在南极过冬，照料阵列中的另一架碟形天线——南极望远镜。这些科学家都已 40 多岁，这代人中有这么一些人决心要探一探黑洞的底——至少是比喻的说法。
就更高、更干燥的观测点而言，南极是无可匹敌的。冰穹高出海平面 2500 米，湿度不到 10%。所有的水都被冻成了冰，在脚下像花岗岩一样坚硬。我希望有一天能去那里，但我想我会放弃那狂风呼啸、气温徘徊在零下 60 摄氏度左右的无尽冬夜。如果你要在南极过冬的话，就必须对自己及同事的心智非常有信心。作为一位射电天文学家，丹·马隆并不需要黑暗的天空才能探测毫米波，所以他在南极的夏季去那里，放弃图森温暖的冬季，换来略低于冰点的温度。这是世界尽端能达到的最高温度了。去一个充满无尽光明的地方拍一张无尽黑暗的照片，这是一件富有诗意的事情。
该项目已经取得了一些令人印象深刻的成果，而阵列甚至还没有完全投入使用。物质正在落入星系中心，鉴于视界望远镜所测量的大小，这个区域应该是非常明亮的。然而它很昏暗，所以能量一定正在进入视界而消失，这是黑洞存在的有力证据。早期数据显示，吸积盘在接近侧向时可以被观测到。这意味着我们的视角使我们可以测量吸积盘的旋转速度，从而对黑洞的自旋给出约束。致密射电源的变化与非常接近黑洞的吸积流的变化相关。模拟结果表明，该阵列的灵敏度将很快提高到足以满足其设计目标：获得有史以来第一张黑洞图像（见图 51）。
如果能得到这一图像的话，我们看到的将是一个没有任何东西的黑色小圆圈。广义相对论认为这个阴影的直径有 8000 万千米，从地球上看，就相当于从洛杉矶看纽约的一粒罂粟籽。由于光线的引力弯曲，这一黑色轮廓的大小将增加 1 倍，并且被周围恒星的光线环绕着。如果这张图像不是正圆形，它将成为否定黑洞「无毛」定理的证据。但是，如果这张图像的形状和大小符合相对论的预言，那么它将成为迄今为止最好的视觉证据，证明时空确实可以卷曲成一个球，400 万个太阳可以几乎消失得无影无踪。
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图 51 左图是银河系中心黑洞的模拟图像。该模拟使用了一种吸积流方法，并显示了光线由于透镜效应而在黑洞周围形成一个独特的环，环绕着黑洞的阴影。这个环的直径是史瓦西半径的 5 倍。在吸积盘正在接近我们的一侧，图像比较明亮；而在吸积盘正在后退的一侧，图像比较昏暗。右图是以视界望远镜在 2018 年能达到的预期性能所拍摄的图像（A·布罗德里克、V·费什/滑铁卢圆周理论物理研究所和滑铁卢大学/经许可复制）
J. 勒克著，《勒维耶：伟大而可憎的天文学家》（Le Verrier: The Magnificent and the Detestable， New York: Springer， 2013）。勒维耶的发现仅比英国天文学家詹姆斯·库奇·亚当斯早几天，虽然亚当斯完成其工作的时间更早。勒维耶在担任巴黎天文台台长时如此不受欢迎，以至于被从台长的位置上赶了下来。但在他的继任者意外溺水身亡后，他又重新获得了这一职位。有一个与他同时代的人这样评价他：「我不知道勒维耶先生是不是全法国最可憎的人，但我敢肯定他是遭到最多人憎恶的人。」由于一个有趣的历史迂回，伽利略在 200 多年前错过了海王星的发现。1613 年，伽利略注意到木星附近有一个明亮的物体，但他认为那是一颗恒星。他甚至注意到那个天体在微微移动。然而，由于接下来的几个晚上都是多云天气，因此伽利略没能通过观测来弄清楚他看到的正是一颗行星。——原注
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W. Isaacson, Einstein: His Life and Universe（New York: Simon & Schuster, 2007）.——原注
确切地说，三维空间中的矢量有 x、y、z 3 个分量，而能量-动量张量是四维空间中的一个二阶张量，共有 16 个分量。——译注
「疯帽子」是英国作家、数学家、逻辑学家、摄影家和儿童文学家刘易斯·卡罗尔的著名童话《爱丽丝漫游奇境》（Alice's Adventures in Wonderland）及其续集《爱丽丝镜中奇遇记》（Through the Looking-Glass, and What Alice Found There）中的主要人物之一。——译注
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宇宙的距离尺度或膨胀速率是由退行速度与距离之间的关系的斜率决定的，v=H0d，其中 v 是退行速度，d 是距离，而它们之间的关系的斜率为哈勃常数 H0。在通常情况下，哈勃常数是由一连串部分重叠的距离指示物来测量的，从附近恒星的视差几何开始，一直延伸到经过仔细校准的超新星峰值亮度。利用引力透镜来测量哈勃常数是一种直接测量，绕过了整个推理过程。测量一个透镜系统中的时间延迟就意味着测量两条光路之间的距离差。由于此外还要测量出透镜构形中的所有角度，因此整个几何形状就确定了，于是得出了距离与速度或红移之间的因子。——原注
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还有第三种形式的引力透镜效应，即来自遥远星系的光线被沿着视线分布的所有暗物质轻微扭曲。把宇宙想象成一面哈哈镜，光在其中不是以直线进行传播的，而是由于广泛分布的暗物质而轻微起伏着。对于一个单独的星系来说，这种扭曲只有 0.1%，小到无法被探测到。于是，当我们在成千上万个暗淡星系的形状中寻找模式时，这种扭曲就会显现出来。由于这个原因，它被称为统计透镜现象。统计透镜现象表明星系际空间中充满了暗物质。——原注
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2018 年 5 月的观测结果显示，S2 在近距离经过黑洞时发生的引力红移与相对论计算结果相符。——译注
Jacob Aron,「Black holes devour stars in gulps and nibbles,」New Scientist， March 25,2015.——原注
Richard Gray,「Echoes of a stellar massacre,」Daily Mail， September 16,2016.——原注
C. W. F. Everitt,「The Stanford Relativity Gyroscope Experiment: History and Overview,」in Near Zero: Frontiers in Physics， edited by J. D. Fairbank et al.（New York:W.H. Freeman, 1989）. ——原注
引力探测器 B 为许多太空任务所需要的毅力和技术发展树立了一个极好的例子。这个概念源于斯坦福大学教授莱昂纳德·希夫在 1957 年发表的一篇理论论文。1961 年，他和麻省理工学院教授乔治·皮尤向美国国家航空航天局提出了这项任务，并于 1964 年获得了第一笔资金。接下去是 40 年的技术发展以及美国国家航空航天局的航天飞机计划所导致的延迟。希夫和皮尤早在 2004 年探测器发射前就去世了。——原注
C. W. F. Everitt et al.,「Gravity Probe B: Final Results of a Space Experiment to Test General Relativity,」Physical Review Letters 106（2011）: 22101-06. ——原注
E. S. Reich,「Spin Rate of Black Holes Pinned Down,」Nature 500（2013）: 135. ——原注
K. Middleton,「Black Hole Spin: Theory and Observations,」in Astrophysics of Black Hole, Astrophysics and Space Science Library， volume 440（Berlin, Springer,2016）， 99-137. ——原注
J. W. T. Hessels et al.,「A Radio Pulsar Spinning at 716 Hz,」Science 311（2006）:1901-04. ——原注
L. Gou et al.,「The Extreme Spin of the Black Hole in Cygnus X-1,」Astrophysical Journal 742（2011）: 85-103. ——原注
M. J. Valtonen,「Primary Black Hole Spin in OJ 287 as Determined by the General Relativity Centenary Flare,」Astrophysical Journal Letters 819（2016）: L37-43. ——原注
Quoted in Dennis Overbye,「Black Hole Hunters,」New York Times， June 8， 2015.——原注
A. Ricarte and J. Dexter,「The Event Horizon Telescope: Exploring Strong Gravity and Accretion Physics,」Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 446（2014）:1973-87. ——原注
S. Doeleman et al.,「Event-Horizon-Scale Structure in the Supermassive Black Hole Candidate at the Galactic Center,」Nature 455（2008）: 78-80. ——原注
T. Johannsen et al.,「Testing General Relativity with the Shadow Size of SGR A*,」Physical Review Letters 116（2016）: 031101. ——原注
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🔗App 内查看 要先从热力学第二定律说起，
任何封闭的系统，都会越来越混乱无序——如果用“熵”这个概念描述系统的混乱程度，那么任何封闭系统的熵都会永恒增加，这种宏观上的不可逆性标定了宇宙的时间之矢。
然而广义相对论问世以后，一个尴尬的佯谬就渐渐浮出了水面：1939年，奥本海默根据爱因斯坦的方程，提出足够巨大的恒星将在死亡时。坍缩成引力巨大，连光都无法逃逸的残骸，使得物质无穷堆积，时空无限弯曲，超出所有人的理解。
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1969年，约翰·惠勒将这种未知的存在称为“黑洞”，并提出了黑洞只有质量、电荷量和角动量三个守恒量，其余一切物理量都被巨大的引力“撕碎”在视界之内了——这个假说在1973年被霍金等人证明，就是著名的“黑洞无毛定理”。
那么不妨设想：如果将熵很大的物质，比如一整颗炽热的恒星，囫囵扔进黑洞中去，也将被洗刷得这样干净——那么其中的熵哪里去了？
如果要坚守热力学第二定律，就必须承认黑洞也有熵，有熵就有温度。
有温度就有辐射——然而黑洞连光都不会放过，又怎么辐射能量呢？这真是一个尴尬的难题。
然而才到第二年，已经失去语言能力的霍金又给出了黑洞向外辐射能量的方式，就是更著名的“霍金辐射”了——我们要想理解这种辐射，还需要一些量子论的铺垫。
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在经典物理中，宇宙中的物质和能量不会凭空出现，也不凭空消失。
比如电子与正电子相遇会成对湮灭，转化成光子，光子携带的能量将等于两个电子的质量，而足够高能的光子也可以突然分裂成一对电子和正电子——但在微观的量子世界，这事儿可就说不准了，在测不准原理的袒护下：真空中可以凭空出现一对正反粒子，随后又在极短的时间内相遇湮灭——整个过程只需满足这对粒子的质能与持续时间的乘积小于普朗克常数，这对粒子就会因为“测不准”而无法观测，也就不会违背质能守恒定律——所以我们叫它们虚粒子。
虚粒子意味着真空并不空，而如同沸腾的水面被不断涌现的虚粒子充满着——虽然听上去非常怪诞，然而当代物理就是用虚粒子模型完美解释了各种相互作用。
然而霍金辐射指出，在黑洞的视界附近，这些真空中涌现出来的虚粒子突然有了实化的机会：这一正一反两个粒子存续地时间虽然很短，但也有可能因为靠近黑洞视界而坠落进去。
特别的，这种坠落不必同时发生，甚至另一个粒子也可能不落入视界，因为它已经没有湮灭的伙伴，可以久远地留存在宇宙中了，那么当它离开黑洞的时候，就表现为黑洞发出了辐射，也就是霍金辐射。
进一步的，一对虚粒子中的某一个变成了实粒子，它们获得的质量就来自黑洞——所以在长远看来，所有饥饿的黑洞都会因为霍金辐射蒸发消失——正如霍金在2016年阐述的，“只有灰洞，没有黑洞”。
霍金辐射不但解决了“黑洞熵”的难题，还带来了另一种奇妙的宇宙观：熵在描述物体状态的时候蕴含了物体的信息，那么当物体坠入黑洞的时候，这些信息就留在了黑洞的视界上。
这意味着视界内部这个三维空间的全部信息都编码在了视界表面这个二维平面上，坠入黑洞并不意味毁灭。
于是一种基于弦论的全系宇宙论就提出：我们这个世界是另一个“高维”世界的全息投影，我们日常体验的三维空间是一种宏观低能的描述，甚至可以想象成我们就生活在一个黑洞内部——这真是一件触发幻想的事情。
本回答所有截图和内容摘引自节目《霍金辐射 | 混乱博物馆》。
霍金辐射
https://www.zhihu.com/video/1100015964825001984
想了解更多你不知道的知识，请在微博、微信公众号、哔哩哔哩、YouTube，搜索「混乱博物馆」，关注我们。 看到第一答案非常笼统，且鉴于我的物理水平就不献丑了，当个搬运工妥妥的吧：
黑洞简史：（一）基于牛顿理论的早期研究。
黑洞简史：（二）基于广义相对论的初步预言。
黑洞简史：（三）黄金时代1：20世纪60年代的进展。
黑洞简史：（四）黄金时代2：20世纪70年代的突破。
黑洞简史：（五）黑洞热力学四定律。
黑洞简史：（六）霍金辐射。
这几篇文章很好的科普了黑洞的“理论发现”过程以及黑洞性质的介绍，能很好的解答题主的问题。 题主的问题描述就有问题, 黑洞并没有所谓的“吸力”
经典的来看, 落入黑洞的物体就会成为黑洞的一部分 , 并调整着原来黑洞的质量, 角动量和电荷。
如果考虑量子效应, 那么落入的粒子是有可能以霍金辐射的形式出来的。 当前的理论推测，当一个物体落入黑洞里并趋近位于中心的奇点时，这物体会因不同部位受到增强的吸引力而被拉长，或称面条化，最终完全失去维度并无可挽回地消失于奇点（一个体积无限小、密度无限大、引力无限大、时空曲率无限大的点）。
如果说，任何粒子都无法从黑洞表面逃逸出去，黑洞的质量就只能增加，不能减少；又由于黑洞的事件视界表面面积是决定于它的质量，所以表面面积也只能增加，不能减少。
但是，倘若物体落入黑洞后、它们的熵就由此消失，如此宇宙作为一个孤立系统其中的熵就会减少，这违背了热力学第二定律。所以人们相信黑洞具有特定温度下的热辐射。即黑洞不是完全“黑”的，这种热辐射被称作霍金辐射。霍金辐射能够让黑洞失去质量，当黑洞损失的质量比增加的质量多的时候就会造成缩小，最终消失，即黑洞蒸散。
所以说，大质量的黑洞可存活比较久一些。一般恒星死亡产生的黑洞可以存在10的66次方 年，而星系黑洞则可以存在10的90次方 年，霍金辐射也可以说明为什么我们无法观测到宇宙诞生时所产生的微黑洞，因为它们已经蒸发殆尽。
就像，人一辈子会吃很多食物，为什么没有变很大？因为消耗、拉出去了~ ╮(╯_╰)╭
我再补充下，关于黑洞的引力奇点，目前所知的物理定律是不适用的，包括广义相对论（其囊括的引力场内的时间膨胀、引力时间延迟效应自然是失效的）。事实上，奇点的存在常被用来作为广义相对论失效的证明。没人知道黑洞内部究竟发生了什么，但是系统地看，黑洞吸入物质、热辐射——对应质量、事件视界面积增加、减少，最终消失。
而外界观测者在安全的距离外，对物体落入黑洞这件事的观测则会完全不同。根据相对论（这时候它可以有效了 = = ），外界观测者会看到物体随着趋近于黑洞而变得越来越慢，最终在事件视界完全停止，而从来没有真正落入黑洞。
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