本人勉强算是天文爱好者，多少受了父亲的影响。我小时候父亲经常磨一块直径二十几公分，厚3公分左右的玻璃坯子，说是要做望远镜。这种反射式望远镜，反射面是凹的，磨好后要镀上银。初中的某个暑假，镜面终于磨好镀上了银，拿到外面太阳光下照到5米左右远的一块木板上，木板瞬间就冒烟了。不过父亲的望远镜最终没做成，倒是后来他们学校买了一架折射望远镜，趁着暑假借到家里，我用它第一次看到了土星环。父亲从60年代一直订天文爱好者杂志，到了我上中学的时候还没断。我真正开始喜欢天文是在高中，高考前南大来吉林一中想招一个天文系的，当时差点报名去了，因为当时身体不太好，不想离家太远，后来进了吉大。以前家里有一架解放前的老式相机，早就破的不能用了，镜头被我拆下来当物镜，组了一个最简单的折射望远镜。86年有一次日偏食，那天逃学在家，用这个简易望远镜把太阳像折射到家里的墙上，可以清楚地看到太阳黑子，以及偏食的整个过程。 6park.com
     前面算是铺垫吧，下面进入正题。我记得高中的时候（85年前后），当时天文爱好者上面文章的普遍观点，天鹅座X1（一个强X射线源，所以称天鹅座X1）是最有可能成为黑洞的候选天体。时至今日，经过多国科研机构的协作和科学家们的共同努力，黑洞的首张“照片”已经被合成出来了，同时也再次验证了广义相对论的正确。1916年德国物理学家史瓦西根据广义相对论引力场方程得到一个真空解，预言了黑洞的存在，直到100多年后，人类才首次见到黑洞的“真容”，这都是因为黑洞的物理性质太奇特，黑洞的视界太小，太难发现了。  6park.com
     黑洞为什么这么难发现呢？主要是因为黑洞能被看到的“部分”太小了。理论上，黑洞自身（奇点）的体积无限小，那么，必然会在距离奇点的某个距离上，存在着一个逃逸速度等于光速的球面（简单起见，只考虑无旋转，无电荷的黑洞），此球面称为黑洞的视界。如果光进入了黑洞的视界，就再也出不来了，视界内部的光也跑不到视界外面，这也是黑洞名称的由来。黑洞能被观察到的，就是在视界外部，被黑洞的强大引力所吸引并且被其潮汐力所分解的以接近光速绕黑洞旋转的物质（粒子级别的）相互碰撞发出的电磁波。
     根据逃逸速度公式可以得到黑洞视界的半径（与史瓦西根据广义相对论引力场方程得到的静态解是一样的）：r=2GM/C^2，式中G为引力常数，M为黑洞质量 ，C为光速。从公式可知，黑洞视界的半径与黑洞质量成正比。地球质量的黑洞（如果有）半径不到1厘米，太阳质量的黑洞半径约为3公里。    
    如果有一个20倍太阳质量的黑洞，其视界半径约60公里，假定这个黑洞在比邻星的位置上，距地球4.2光年（理论上离地球最近的黑洞），再假定黑洞的吸积盘半径1000公里（这个距离和大小相当于要分辨月球上的一枚硬币），黑洞周围的吸积物质发出550纳米的可见光，如果从地球上能观测到这样大小的黑洞，需要多大口径的望远镜呢？这里用瑞利公式，望远镜分辨率＝1.22波长/望远镜直径。而当被观测天体的大小远小于观测距离时，天体的视角＝天体直径/观测距离，望远镜分辨率要小于这个视角才能分辨出天体，因此，望远镜直径＝1.22X波长X观测距离/天体直径，由此算得望远镜的直径是13公里左右，这还是理论上的最小直径。2017年的首张黑洞照片，用的是分布在世界各地的总共8台毫米和亚毫米波射电天文望远镜，利用甚长基线干涉测量技术（望远镜之间的距离就相当于物镜的直径）拍摄后合成解析的结果。我们看到的照片实际上是被科学家上了色的，望远镜是毫米波段的，人眼看不见毫米波。 6park.com
    目前发现的黑洞，主要有两类。一类是大质量恒星在演化的最后阶段坍缩形成的，这类恒星在坍缩前一般有几十个太阳质量，而这么大质量的恒星，从诞生到演变成黑洞，时间一般不会超过一亿年，相比太阳的一百亿年寿命短多了。恒星为什么会坍缩呢？恒星在诞生的时候，主要成分由氢构成，在恒星内部，由于温度和压力，使氢聚变成氦，氦又会继续聚变。在恒星演化的各个阶段，从氢元素开始按照元素周期表的顺序依次聚变为氦，锂，铍，硼，碳，直至铁。一旦聚变到铁，因为铁聚变产生的能量小于聚变需要的能量，所以铁不会再继续聚变，这也意味着恒星聚变产生的能量会抵抗不住万有引力，最终结果就是整个恒星发生坍缩。当整个恒星外壳的物质快速坍缩撞击到内部的铁核上，会产生壮观的爆炸事件。质量越大，恒星坍缩的力量越大，如果恒星的内核抵抗不住外壳坍缩的力量，所有物质向恒星中心点坍缩，最终就会形成一个体积无限小，密度无限大的奇点，这就是黑洞。
    另一类是星系中心的黑洞。现在普遍认为，绝大多数的星系中心都会有一个大质量的黑洞。首张黑洞照片就是M87中心黑洞的，约65亿太阳质量。我们银河系中心的黑洞质量大约是400万太阳质量。星系中心黑洞的成因还不太明确，我个人估计应该不是由恒星级黑洞不断吞并其他恒星或黑洞的，它可能在形成的时候质量就有那么大。 6park.com
    实际上，恒星都是有自转的。自转的恒星在坍缩成黑洞的过程中，由于角动量守恒，体积逐渐变小但自转速度越来越快，不过即使再快，自转的最快线速度（赤道附近）也不能超过光速，由此，最终形成的黑洞是一个线速度非常接近光速，无限细（体积无限小）的圆环，圆环的直径取决于恒星坍缩前的质量及自传速度。这个环被称为奇环。由于奇环高速旋转，在黑洞视界外侧，会形成绕中心轴的椭球状无限红移面，这个椭球面的两极与视界边缘相切，赤道半径大于视界，椭球面与视界之间的部分被称为黑洞的能层。理论上，可以让飞船飞进能层（不能飞进视界，飞进去就出不来了），向黑洞旋转的反方向丢掉物质，从而获得能量，故而叫能层。 6park.com
    如果黑洞俘获了一个天体绕着它做圆周旋转，假设旋转的轨道半径远大于黑洞视界的半径，轨道半径与轨道速度的关系：R= GM/V^2，用黑洞视界半径公式与这个公式进行对比，可以得到：r/R=2*V^2/C^2。令D=2r（黑洞视界的直径），可得D/R=4*V^2/C^2。这里的D/R就是从环绕天体上看黑洞的视直径。这个公式的含义是，如果环绕黑洞的天体的线速度是一个定值，那么从这个天体上看到的黑洞大小是一样的，不管黑洞的质量如何。这个有趣现象不知道有人注意过没有。    
    电影星际穿越大家可能都看过，那里面的黑洞有1亿个太阳质量，视界半径约3亿公里（超过火星轨道）。如果从绕黑洞的行星上看黑洞的大小相当于地球上看太阳，那么这个行星的环绕速度大概每秒一万五千公里，我记得电影里面看到的黑洞要大得多，行星的环绕速度怎么也得几万公里吧。那么问题来了，电影里的飞船穿越到黑洞附近后，如何能在行星上着陆？
评分完成：已经给 jinux 加上 100 银元！
评分完成：已经给 jinux 加上 100 银元！

贴主:jinux于2021_10_08 18:58:48编辑

贴主:jinux于2021_10_08 19:29:23编辑

贴主:jinux于2021_10_11 5:19:09编辑