黑洞是怎样形成的

巨大恒星的核心如何向内坍缩，并把自己与宇宙隔绝

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注定毁灭的巨星

质量超过太阳约 20 倍的恒星，在生命末期拥有又大又致密的核心，普通的超新星爆发可能难以启动。计算机模型表明，其中相当一部分根本不会爆炸。

这颗恒星以 N6946-BH1 为原型，它是 2200 万光年外 NGC 6946 星系中一颗约 25 倍太阳质量的红超巨星。为寻找消失的恒星而监视成千上万颗此类恒星的天文学家，在 2009 年捕捉到了它。

从外面看，它和其他臃肿、冰冷的超巨星没什么两样：没有任何迹象预示它的核心即将发生什么。

核心撑不住了

和超新星一样，铁核在四分之一秒内坍缩并反弹，形成一颗直径约 30 千米的中子星。一道激波出发，随即停滞。

一切都像普通超新星那样开始：铁核重到电子再也撑不住，向内坍缩，并在达到原子核密度时变硬。新生的中子星仍然膨胀炽热，不断涌出中微子。

反弹产生的激波在百分之几秒内耗尽能量，像每一次这样的坍缩一样，停在离中心约 150 千米处。接下来发生什么，决定恒星会不会爆炸。

不堪重负

这一次，中微子无法让激波复活。气体不断落到中子星上，大约一秒内，它从 1.8 倍太阳质量长到 2.3 倍。

在最致密的核心中，气体下落得太快，中微子的加热无法再把激波推出去。激波回落，恒星内层以接近光速一半的速度倾泻到中子星上。

支撑中子星的是它的中子的压力，这些中子挤得和原子核一样紧。这种压力有极限：已知最重的中子星 PSR J0952-0607 为 2.35 倍太阳质量，预计不会有比它重得多的中子星。

每过十分之一秒，质量就增加一些。中子星的时间所剩无几。

越过极限

再没有任何力量能撑住它：它在大约万分之一秒内坍缩。它的中心出现一个视界并向外扩张，恰好在下落的表面经过视界最终大小的那一刻追上表面。

这是广义相对论能精确描述的最简单的坍缩，由罗伯特·奥本海默和哈特兰·斯奈德在 1939 年算出。视界并不是恒星物质在表面造出来的东西：它是光再也逃不出去的区域的边界，最初只是中心的一个点。

一旦表面进入视界，恒星的任何部分都再也看不见了。它的物质继续落向中心，广义相对论预言那里有一个奇点：我们现有物理定律失效的一个点。

对于 2.3 倍太阳质量的中子星，视界最终直径约 14 千米。

冻结、变红、消失

从远处看，表面越接近视界就越慢，似乎永远到不了。它的光越来越红、越来越暗，千分之一秒内就什么都看不见了。

在视界附近，从远处看时间被无限拉长，向外爬出的光失去的能量越来越多。所以遥远的观察者看到坍缩几乎停下，恒星冻结在视界外面一点点。但这颗冻结的恒星是看不见的：它的光每六十微秒就暗到原来的大约三分之一。

这就是一种流行说法背后的真相：据说掉进黑洞的人会看到宇宙的整个未来飞速掠过。并不会：下落的旅行者在自己的时间里一瞬间就越过视界，在那里看不到任何特别的东西。只有遥远的观察者永远看不到他越过。

一颗恒星消失了

核心的其余部分在一小时内落入，黑洞长到约十倍太阳质量。恒星松散的外层飘散开去，微弱地发光几个月；之后就什么都看不见了。

中微子带走了太多能量，恒星突然轻了零点几个太阳质量。几乎靠引力勉强拉住的外层感到拉力松了，便微微发着光飘散开去：这是从外面看唯一的迹象，说明发生了什么。

这正是天文学家在 2009 年看到的：N6946-BH1 以约一百万个太阳的亮度照耀了几个月，然后暗了下去。到 2015 年，哈勃在曾经有一颗 25 倍太阳质量恒星的地方，用可见光什么也找不到了。只剩下温暖尘埃微弱的红外辉光。

这是迄今为止恒星直接坍缩成黑洞的最好例子，不过天文学家仍在确认没有其他解释。

一个黑洞

黑色圆盘是它的阴影，大约是视界的两倍半宽，因为靠得太近的光会被俘获。紧挨着它的外面，后方恒星的光被弯成光环；紧贴阴影的那道细亮光环，是绕黑洞转了一圈才逃出来的光。

恒星留下的只有它的质量、自转和电荷：黑洞没有表面，也没有别的可以区分它的东西。质量和自转相同的两个黑洞完全一样。

我们的银河系里应该有大约一亿个这样形成的黑洞。大多数孤零零地待在黑暗中，几乎不可能找到。

以邻为食

有近邻伴星的黑洞可以从伴星上拉走气体，形成一个盘。被加热到几百万度的盘在 X 射线中发光：第一个被发现的黑洞天鹅座 X-1 就是这样暴露了自己。

天鹅座 X-1 是一个 21 倍太阳质量的黑洞，绕着一颗约 41 倍太阳质量的蓝超巨星运行，距离 7200 光年。它的 X 射线在 1964 年被发现，到 1970 年代初，伴星的轨道表明那个看不见的伙伴重到只能是黑洞。

螺旋落入的气体因自身摩擦而升温，在黑洞附近以相当大比例的光速运动。盘朝我们而来的一侧看起来比远离的一侧更亮，而黑洞的引力把盘的远侧弯进了视野。

2024 年，盖亚探测器通过它摇动伴星的方式，发现了盖亚 BH3：一个 33 倍太阳质量的黑洞，距离只有 1926 光年。它什么也不吃，一片黑暗。

从城市到巨人

恒星形成的黑洞质量从几个到几十个太阳不等。星系中心则是巨人：人马座 A* 有四百万个太阳，M87* 有六十五亿个，视界比我们的整个行星系统还宽。

视界随质量同步增大：每个太阳质量约 6 千米宽。人马座 A* 的视界直径约 2500 万千米；M87* 的约 380 亿千米，是海王星轨道的好几倍。

任何东西只要被压得足够小，都会变成黑洞。太阳得被压成直径 6 千米的球；地球则要压成直径仅 18 毫米的球，只有一颗弹珠那么大。

巨型黑洞是怎样长这么大的，仍在研究之中。它们靠吞食气体和相互并合来长大，但詹姆斯·韦布空间望远镜在大爆炸后不到 5 亿年的时候就发现了数百万倍太阳质量的黑洞，它们也许一出生就很大：由坍缩的气体云直接形成，根本没有恒星。

两个黑洞并合时会震动空间本身，发出引力波。自 2015 年以来，地球上的探测器已经捕捉到数百次这样的并合。