北京时间 12 月 29 日消息，据国外媒体报道，年复一年，黑洞研究领域一直在为我们提供一些令人震惊，同时又异常费解的发现。2021 年也不例外。在这一年里，科学家们又获得了许多关于黑洞的新发现，这些具有巨大引力的神秘天体仍在不断推进我们对宇宙的理解。
旋转速度最快的黑洞
即使是研究最深入的黑洞也会带来惊喜。今年 2 月，物理学家们修正了对天鹅座 X-1（Cygnus X-1 ）系统中黑洞性质的估计，这也是有史以来第一个被证实存在的黑洞。天鹅座 X-1 系统的黑洞发现于近 60 年前，其质量比之前认为的要大 50%，达到太阳质量的 21 倍。而且，该黑洞的旋转速度非常接近光速，创下了黑洞旋转的新纪录。天鹅座 X-1 距离地球约 7200 光年，是一个双星系统，其另一成员是一颗蓝色超巨星变星，正缓慢地被黑洞吞噬。对天鹅座 X-1 系统为研究人员了解这类过程提供了新的视角。
观测并模拟面条化的恒星
当一颗恒星太过靠近黑洞的边缘时，引力会将它拉扯成长条状，然后被黑洞吞噬。这个过程称为“面条化”（spaghettification，又称“意大利面化”）。当恒星物质因摩擦而升温时，就会产生光，从而使天文学家得以捕捉到这一壮观的现象。今年 5 月，研究人员首次发现一颗恒星被一个黑洞以这种方式撕碎并吞噬。该黑洞的质量是太阳的 3000 万倍，位于一个距离地球 7.5 亿光年的星系中心。除了获得有关“面条化”过程的重要数据外，这些观测还帮助科学家们构建了恒星被吞噬的场景。
LIGO 证明了霍金是对的
今年 6 月，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的研究人员探测到两个巨大黑洞合并成一个实体的过程，并分析了黑洞高速向彼此旋转时产生的时空涟漪 —— 引力波。他们发现，最终形成的黑洞的表面积比原先两个黑洞的表面积加起来还要大。这些发现不仅为天文学家提供了惊人的数据，还帮助证明了英国天体物理学家斯蒂芬・霍金于 1971 年提出的一个猜想 —— 黑洞面积定理。该定理指出，黑洞的表面积永远不会随着时间的推移而减少。霍金利用爱因斯坦的广义相对论和他自己对熵的理解，推导出了这一定律。尽管新发现的结果对霍金来说是一个胜利，但却让物理学家们头疼不已。根据量子力学，黑洞应该能够收缩和蒸发，这一点与霍金的定理并不兼容。如何协调二者的矛盾，物理学家们可能还有很长的路要走。
黑洞和中子星的合并
今年 6 月，LIGO 团队的研究人员充满信心地宣布，他们第一次探测到了黑洞与中子星的合并事件。和黑洞一样，中子星是大质量恒星演化末期经由引力坍缩发生超新星爆发后的潜在结局之一。尽管 LIGO 之前已经发现了黑洞-中子星合并的潜在证据，但直到今年，新探测到的两个信号才最终证明了这种合并正在发生。这两次探测都发生在 2020 年 1 月，大约相隔 10 天。第一次探测的结果表明，一个约 6 倍太阳质量的黑洞正在吞噬一颗 1.5 倍太阳质量的中子星；第二次探测则涉及一个约 9 倍太阳质量的黑洞和一个两倍太阳质量的中子星。
早期的黑洞会产生“风暴”
几乎每个已知星系的中心都有一个超大质量黑洞，表明这两个宇宙实体之间存在着紧密的联系。然而，科学家们仍然不清楚黑洞是如何影响它的星系宿主的。今年 6 月公布的研究结果显示，一个有着 130 亿年历史的星系 —— 几乎和宇宙本身一样古老 —— 正在吹出高速的风。这是目前探测到的最早期星系风的例子；当超大质量黑洞吞噬周围的气体和尘埃时，就会喷出星系风。此外，这些星系风以大约 180 万公里 / 小时的速度行进，其移动速度之快，足以推动物质遍布整个星系，并可能吹走星系物质，从而阻碍恒星的形成。这项研究表明，星系和它们中心的黑洞有着古老而紧密的联系。
光回波证明爱因斯坦是对的
史蒂芬・霍金并不是今年唯一在黑洞理论上获得成功的人。今年 7 月，天文学家捕捉到一些 X 射线信号，来自一个名为 Zwicky 的螺旋星系中心的超大质量黑洞。该星系距离地球约 18 亿光年。研究人员不仅探测到了来自黑洞前部的光，还设法找出了他们最初无法确定的奇怪光回波。这些发现表明，巨大的黑洞引力使时空结构变得如此之扭曲，以至于光被从黑洞的一边拉到另一边。这一过程正是爱因斯坦在广义相对论中所预言的，但此前还从未被明确探测到。
外星人可能利用黑洞的能量
只要有相关数据的支持，科学家们就不会缺少猜想。今年 8 月，中国台湾的一组天文学家提出，技术先进的外星人可能会利用类似戴森球 —— 假想中围绕恒星的巨型结构 —— 的结构，从黑洞中获取能量。尽管黑洞通常被认为是黑暗的，但当它们吞噬周围的物质时，会释放出巨大的能量，这些能量会使温度升高，并以光的形式辐射出去。于是，天文学家们提出了一个大胆的猜想：外星智慧生命是否会在黑洞周围放置一个轨道平台，上面覆盖着类似太阳能板的东西，以吸收黑洞辐射出来的能量。由于黑洞比恒星小，因此可以使外星人节省建筑材料，并使其收集到难以置信的巨大能量。
游荡的黑洞可能会在银河系“定居”
在我们的银河系外围，可能潜伏着大约 12 个巨大的黑洞。这是今年 8 月一项新的星系碰撞模拟研究得出的结论。在诸如星系碰撞这样的重大宇宙事件中，引力可能会导致质量为太阳数百万或数十亿倍的超大质量黑洞飞出宿主星系，并游荡到漆黑的宇宙深处。其中一些黑洞可能会最终定居在银河系等星系的星系晕中。据估计，一个银河系大小的星系平均拥有 12 个这样的流浪黑洞。下一步，天文学家希望找到方法，对这些迷失的超大质量黑洞进行探测，以了解他们的模拟是否准确。
发现离我们最近的双黑洞
去年 12 月，研究人员通过望远镜捕捉到了距离地球最近的双黑洞的证据。这个双黑洞系统位于水瓶座，距离地球约 8900 万光年，彼此围绕着对方旋转。先前保持记录的双黑洞的距离是这一对黑洞的 5 倍，这也意味着科学家有机会比之前更详细地研究这些系统。这两个黑洞的质量都很大 —— 较大的拥有近 1.54 亿倍太阳质量，较小的则是 630 万倍太阳质量。它们以 1600 光年的距离围绕彼此运行，在宇宙尺度中，这点距离微不足道。天文学家估计，它们将在 2.5 亿年后合并成一个巨大的黑洞。
一个对其星系而言太大的黑洞
在一个距离我们约 82 万光年的小型星系中，似乎有一个奇怪的存在。狮子座 I（Leo I）是一个比银河系小 50 倍的矮星系，却拥有一个大得出奇的黑洞，其质量几乎与银河系中心的黑洞相当。如此巨大的黑洞怎么会存在于如此小的星系中呢？天文学家感到十分困惑。美国德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学博士研究生 María José Bustamante 在一份声明中说：“目前还无法解释矮椭球星系中的这种黑洞。”这对黑洞和星系的演化意味着什么？要准确地回答这一问题，天文学家们可能还要再等几年。