黑洞是不是被證實了？

今天剛看到一篇文章，是求解膜宇宙模型（braneworld）下的引力星（Gravastar）的解：

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.102.024037

以下為原答案：

分割線————————————————————————————————

嚴格來說，並沒有。

黑洞是由廣義相對論或其它引力理論所預言的極端緻密天體，其極端強大的引力場導致它附近的時空彎曲到連光都無法逃逸。黑洞最大的特徵是存在事件視界（Event Horizon）,一般簡稱為視界，它是四維時空中具有時空對稱性的零超曲面。

就拿EHT所拍的這張照片來說，

這張照片中心的陰影部分，再加上它65億倍的太陽質量的特性，可以得出的結論是，它是一個極端緻密的天體，但是，無法證明它有視界！也就無法證明它是一個黑洞！

原因在於，由於極端強大的引力場導致我們觀測不到的天體，除了黑洞，還有很多。雖然由於視界的時空特性，位於其內的光子都無法逃逸出去，但是事實上，我們之所以看不到黑洞的直接原因，是黑洞附近存在光子的不穩定圓軌道，也就是光球（Photon Sphere）。位於光球內的光子都將掉落到黑洞里，無法被我們觀測到。而一般光球半徑比視界半徑要大，例如史瓦西黑洞的光球半徑是視界半徑的1.5倍，所以一般光球以內的部分我們是看不到的，也就是上圖中心的黑色區域，這部分區域，我們稱為Shadow，也就是陰影。

所以，如果一個天體，沒有視界，但是存在光球，那麼它看起來也是黑色的。但是它卻不是黑洞，我們稱為黑洞候選體，比如，裸奇點（Naked Singularity）、蟲洞（Wormholes）、玻色子星（Boson Star, Kaup 1968; LIebling Palenzuela 2012）、引力星（Gravastar, Mazur Mottola 2004; Chirenti Rezzolla 2007）等等。

前兩個提出的時間比較早，裸奇點簡單來說就是黑洞沒有視界，只剩下中心的奇點。由於其存在可能會破壞因果律，所以彭羅斯特意提出了宇宙監督假設，防止奇點的暴露。

蟲洞聽起來可能很虛無縹緲，事實上這種時空結構在理論上是可能的。第一個蟲洞的提出者就是愛因斯坦，是連接兩個史瓦西時空的通道，被稱為愛因斯坦-羅森橋，是一個不可通過的蟲洞。但是後來有不少學者進行了這方面的研究，提出了各種不同的蟲洞模型。Kip Thorne（對，就那個2017年的諾獎獲得者，LIGO的創始人）還研究過蟲洞的可通過性，結果發現，可通過蟲洞的附近存在大量的密度為負的異常物質。這種異常物質在自然界非常罕見，但有人認為黑洞的表面可能存在這種物質。

玻色子星提出的時間比中子星稍晚一些，它被認為是由有質量的玻色子構成的。在它後面那老哥出來前，它一直是黑洞，甚至是星系中心的超大質量黑洞的有力競爭者。因為玻色子星還可能是由軸子構成的，被稱為軸子星（Axion Star），這是暗物質的有力候選者，所以近幾年它又作為暗物質的候選者火了一把。

而引力星等其它修改引力提出的新的黑洞候選體是近二十年提出的，它們被稱為超緻密天體（Ultracompact Object, UCO）。其提出的根本目的，是為了解決黑洞中心的奇點問題。關於更多的緻密天體的信息可以參考這篇綜述：https://arxiv.org/pdf/1904.05363.pdf

上述所說天體都會在中心形成陰影，只有在高精度的測量上才能顯現出與黑洞的差別，但是這次EHT的精度是不夠的。EHT在其發表的第一篇文章中這樣寫道：

顯然，雖然EHT通過中心陰影的理論計算排除了M87*是裸奇點或者蟲洞的可能，也間接證明玻色子星的可能性較小，但是卻完全不能排除引力星這樣的超緻密天體，尤其是擁有克爾度規的天體。

至此，得出結論：EHT的成像並不能證明M87*是一個黑洞。

不僅如此，以上還表明，過去幾十年找到的間接被證明是黑洞的天體，嚴格意義上來說，都不能稱為黑洞。畢竟，雖然尋找黑洞的手段多種多樣：

但是根本思路都是：1）找到一個不發光的天體；2）證明其質量超過，最好遠遠超過3倍太陽質量。但是這些條件，前面說的那些超緻密天體全都滿足！所以嚴格來說，目前我們所發現的，都是黑洞候選體。但是因為黑洞候選體（Black Hole Candidates）比黑洞（Black Holes）用起來很麻煩，大部分研究者在寫文章時也就直接用Black Holes了。我個人只見過一篇文章裡面特意用的是Black Hole Candidates：

這也是一篇劃時代的文章，GRAVITY第一次觀測到廣義相對論預言的史瓦西進動。請注意左上角畫圈的合作者Victor·Cardoso，也就是前面綜述的作者，這是一位超緻密天體方面的大佬，目前正致力於通過引力波來區分黑洞和超緻密天體的研究。

之所以說以前間接證明的黑洞都是黑洞候選體，是因為之前天文觀測除了少量運用中微子和宇宙線，大部分都是依靠電磁波。而電磁波不能通過視界傳到我們觀測者這裡，當然中微子和宇宙線也不能，所以根本沒法證實視界的存在，除了引力波。

引力波是時空曲率的傳播，因此它可以通過視界。引力波有一種特徵叫准正模（Quasimormal Modes, QNM），有視界和沒視界時引力波的准正模是不同的，因此，可以通過這種方法來區分黑洞和超緻密天體！

參考：

V. Cardoso. 2019, arxiv.1904.05363;

EHT. 2019, APJL, 875, L1;

GRAVITY. 2020, AA, 636, L5.

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導讀：可惜霍金走得早，不然諾獎有的拿。希望大家都能活到100歲。哈哈。

本篇引用尼採的一句話作為開頭：「那些聽不見音樂的人以為那些跳舞的人是瘋子。」 黑洞對我們而言，就是聽不見的東西，所以不要以為談論黑洞的人是瘋子。

什麼是黑洞？黑洞是現代廣義相對論中，宇宙空間內存在的一種密度極大，體積極小的天體。1916年，史瓦西給出了廣義相對論的第一個嚴格解，這個解描述了一種最簡單的天體（靜止、不帶電、球對稱的天體）周圍的時空彎曲情況。然後，史瓦西發現所有的星體都存在一個史瓦西半徑，如果星體的實際半徑比它的史瓦西半徑要小，那麼它就會變成一個黑洞。比如太陽的史瓦西半徑為3千米，地球的為9毫米。如果我們把太陽的半徑壓縮到3千米以下，太陽就會變成一個黑洞；如果把地球的半徑壓縮到9毫以下，地球也會變成了一個黑洞。

這裡值得一提的是史瓦西這位科學家，大家都知道廣義相對論是1915年才給出最終公式形式。而史瓦西1916就給出了史瓦西，就相當於用了幾個月時間而已，很牛吧。不過天妒英才，也就是他給出史瓦西解不久後突然去世，享年53歲。【出生1873—死亡1916】

所以黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡死亡後，發生引力坍縮產生的。可是為什麼會發生引力坍縮？原因是球體坍縮到史瓦西半徑以下（視界以內），就不再有任何其它的力能夠跟引力相抗衡，球體除了繼續一直坍縮沒有任何其它的出路。黑洞的引力很大，連光都無法逃脫。其實黑洞並不「黑」，只是無法直接觀測，但可以藉由間接方式得知其存在與質量，並且觀測到它對其他事物的影響。

史瓦西工作照

關於黑洞要提到一個重要的人物是霍金。眾所周知他是一位身殘志堅的理論物理學家。他的貢獻主要就算黑洞理論，其中最重要的就是奇點定理和霍金輻射。

而且我們普通人眾多周知的大爆炸理論，就和他的貢獻有關。大爆炸理論認為宇宙是有起點的，是從「奇點」開始的，目前科學家公布的數值是138.2億年前。彭羅斯和霍金就證明了一個奇點定理，該定理是說凡是黑洞必定存在一個奇點，而且彭羅斯還根據自己的直覺認為不可能存在裸奇點，也就是說所有的奇點都一定被視界包圍著。但是他無法證明，所以他只能把這個稱之為宇宙監督猜想。彭羅斯也是2020年諾獎的獲得者之一，就是因為黑洞理論獲獎。據諾貝爾獎官方推特顯示，羅傑·彭羅斯因發現「黑洞的形成是廣義相對論的有力預測」而獲獎，萊因哈德·根澤爾（Andrea Ghez）和安德烈亞·蓋茲則是因為「在銀河系中心發現了一個超大質量的緻密天體」而獲獎。

羅傑·彭羅斯教授還說道：「獲得這一獎項堪稱巨大殊榮。在1964年，黑洞的存在並沒有獲得應有的重視。自那以後，黑洞在我們理解宇宙的過程中發揮著越來越重要的作用；我相信，其重要性未來還會以無法預料的方式提升。」如果霍金沒有去世，那麼肯定也能分享該獎項。

其實霍金本人在一篇論文中，推翻了自己的黑洞理論，承認「宇宙中沒有黑洞」，存在「灰洞」。這個理論震驚了物理學界，乃至整個世界。【這個新聞大家可以搜到，很多的。】

其實大家不要誤解，也不是說霍金徹底否定了黑洞，只是霍金認為自己的事件視界理論存在缺陷，由此推出「灰洞」理論。可以說「灰洞」是「黑洞」的升級版。

但大家更多看到的新聞是某科學團隊發現黑洞！

羅傑·彭羅斯教授說道：「獲得這一獎項堪稱巨大殊榮。在1964年，黑洞的存在並沒有獲得應有的重視。自那以後，黑洞在我們理解宇宙的過程中發揮著越來越重要的作用；我相信，其重要性未來還會以無法預料的方式提升。」

而且引力波的探測就是兩個黑洞合併所引發的時空振動，這是我們去年看到的海量新聞報道。讀完《變化》的朋友知道，我一直反對大爆炸理論。上一篇文章《時間的本質說明》中我也說了，宇宙是沒有時間起點的，也將沒有終點，是無始無終的。

所以宇宙起源於奇點，最後又會被黑洞吞噬的理論，我是不贊成的。而且我認為黑洞對於宇宙來說不是毀滅者！

宇宙中存在各式各樣的天體，所以一個體積不大，質量超級大的天體的存在，我是贊同的。也就是黑洞是存在的，但就像霍金修改自己的理論一樣，黑洞的性質，黑洞的結構，我們其實是知之甚少。

首先來說說黑洞為什麼不是毀滅者？由於黑洞的引力巨大，所以它吞噬周圍的物質。但大家不要忘記，黑洞也輻射能量，這個叫霍金輻射。所以這是一個「活」的天體。並不像大家想像的，黑洞就像個貔貅，只吃不吐！ 它是一邊吃，一邊吐。吃的多，吐的少而已。而且總會有吃爆的那一天。所以這個形象舉例，大家應該好理解。

我們為什麼能夠探測到引力波，是因為兩個黑洞在合併碰撞過程中，損失大量的質量，質量去哪了？質量以能量的形式釋放到時空中，就是以引力波的形式傳播出去，才被我們探測到，所以黑洞不是宇宙的吞噬者。

如果大家還不能理解，再來看這個例子。大海的中的一個漩渦，可以吞噬大海嗎？可以吞噬地球嗎？地球存在多少億年了，每天海洋中都有大大小小的漩渦，是不可能吞噬海洋和地球的。

其中的原因，就是我前面說明物體為什麼不能達到光速一樣。物體近光速運動，質量無限趨大，也就類似一個黑洞了。所以我說光速是一種束縛態。

物體運動的速度不能達到光速的原因就是因為它無法克服這種束縛態。因為它對抗的是整個時空！黑洞不能吞噬宇宙的原因，也是基於此。這也是我反對大爆炸理論的一個原因。

相反黑洞是宇宙中最有活力的創造者。他吞噬質量，抹去原來的構造信息，以其他形式釋放質量。它是一個不斷「重構洗牌」的角色。

時間在黑洞里，在黑洞附近也不是不存在的，是存在的，而且是有意義。我在上一章《時間的本源說明》里寫道：時間停止，不意味著時間不存在！

所以對於黑洞的研究，我們還需要加深認知。讓子彈多飛一會吧！2019年4月10日科學家公布了首張黑洞照片。愛因斯坦再次證明了自己，人類再次證明了自己。這是我們的驕傲，這是一個時代的驕傲。

最後還是以尼採的另一句名言作為結尾：「一個人如果知道自己為什麼而活，就可以忍受任何一種生活！」

後記：2018年3月14日霍金去世。他是一個身殘志堅的思想者，值得我們後人銘記。他說過這樣一句話：「如果生活沒有了樂趣，那將是一場悲劇。」他還說：「我的目標非常簡單——理解宇宙，包括為什麼它是現在這個樣子，以及為什麼它會存在。」

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靈遁者油畫《黑洞》

摘自獨立學者，科普作家，藝術家靈遁者書籍《變化》

應該沒有，很多還是猜想。

黑洞在最開始的時候，只是一個理論上的推測。18世紀，約翰·米歇爾和皮耶-西蒙·拉普拉斯曾經設想過，宇宙間是否存在一個引力場強大到光線都無法逃逸的物體。

我們知道，人類是靠物體發射或者反射出的可見光來實現肉眼觀測的。如果一個物體沒有任何光線發射或反射出來，那麼理論上我們是看不到它的。所以，長期以來，黑洞一直被認為是物理和數學上的一種推想，從未經過證實。

鑒於黑洞奇特的性質，人們一直質疑這種物體是否確實存在於自然界中。

1967年發現中子星以後，人們對大質量天體引力坍縮造成緻密天體產生濃厚的興趣，開始認為黑洞是可能在天體物理中實現的。

從本質上講，黑洞本身不會發出任何光，粒子和電磁輻射，所以查找黑洞的天體物理學家通常依靠間接的觀測。

黑洞的存在可以通過它與其它物質和電磁輻射（如可見光）的相互作用推斷出來。落入黑洞的物質（比如恆星）會因為摩擦加熱而在外圍形成吸積盤，成為宇宙中最亮的一些天體。

如果有其它恆星圍繞著黑洞運行，它們的軌道可以用來確定黑洞的質量和位置。這種觀測可以排除其它可能（中子星）的天體。經由這種方法，天文學家在許多星系中確認了黑洞的「候選者」，並確定銀河系核心被稱為人馬座A*的電波源包含一個超大質量黑洞，它的質量大約是430萬太陽質量。

2016年2月11日，天文學家通過引力波觀測第一次觀測到黑洞合併現象。該現象與兩個黑洞合併產生引力波的理論預測相符，其中一個黑洞約36個太陽質量，另一個黑洞則約有29個太陽質量。這個觀測結果為黑洞的存在提供了迄今為止最具體的證據。

2019年4月10日，天文學家首次發布了黑洞及其附近的第一張圖像。在圖像中，由於黑洞附近的光線高度彎曲，使黑洞被放大。照片中間的暗影是被黑洞吸收的光子行經的路徑區域。由於觀測是由肉眼看不見的電磁波進行，因此圖像的顏色是假色。可以看見的並不是黑洞，它呈現出黑色是因為這個區域內失去了所有的光線。在黑洞邊緣的氣體呈現出橙色或紅色，定義出了黑洞。

由於黑洞觀測有實際的困難度存在，宣稱某個星體是黑洞者，通常都只給出幾張模糊的照片或部分的數據，黑洞的所有特徵無法全面驗證，一般媒體報導實際僅有部分信息，無法滿足專業天體物理的數據要求，因此天文資料庫當中，並沒有黑洞，僅有黑洞候選星。

人們為了查找黑洞付出很多努力，成果卻不多，20世紀的70年代才找到4個黑洞候選者；在90年代之後又發現6對新的X射線雙星黑洞候選者；2000年後又陸續探測出7個。有人估計過去100億年中銀河系平均每100年有一顆超新星爆炸，而每100個中有1顆導致黑洞形成，因此銀河系應該有100萬個恆星級黑洞，可是直到2007年也只找到17個黑洞候選者。

關於黑洞的特性，科學家從理論和有限的觀測數據中進行了一些推論。

天文學家認為，黑洞是在大質量恆星生命周期結束的坍塌時形成的。黑洞形成後，可以經由吸收周邊的物質來繼續生長。通過吸收其它恆星並與其它黑洞合併，可能形成幾百萬太陽質量的超大質量黑洞。他們同時推測，大多數星系的中心都存在著超大質量黑洞。

由於黑洞被假設為強大到光都無法射出的重力場，是任何物體都無法逃逸的。假設有一個物體試圖要離開黑洞的話，它可能面臨的結局，就是被黑洞中心的引力直接拉回，彷彿在地球上向天空扔石頭一樣。

但是天文學家認為，如果一個物體沖向黑洞，結局並不像石頭落回地球，而是從形狀，質量，組成等所有的物理信息都會沿著黑洞的邊緣均勻分散開，對外界來說「化為無形」。沒有任何信息可以反饋回來，因此也無法確定有什麼事件發生。

根據廣義相對論描述，黑洞的中心可能存在一個引力奇點，是一個時空曲率變得無限的區域。奇點區域的體積為零，並且可能包含黑洞的所有質量。

黑洞一旦形成，就可以通過吸收周圍的物質繼續生長。任何一個黑洞都會不斷地吸收周圍環境中的氣體和星際塵埃。黑洞也可以與其他物體合併，例如恆星，甚至其它的黑洞。特別是在超大質量成長的早期。

2015年，霍金針對黑洞提出新解——黑洞有出口，就算掉進去也出得來。他認為黑洞無法吞噬和消滅物理消息，這和愛因斯坦相對論中提出的觀點相反，霍金認定黑洞有可能通往另一個宇宙，但是掉入黑洞的物體無法回到我們現在的宇宙，所以嚴格來說掉入黑洞有可能全身而退，只是永遠從之前的宇宙消失。

相對的，在廣義相對論中，還存在一種理論推測出來的時空區域——白洞。物質與光線無法進入白洞，但是可以從白洞向外出現。這與黑洞的性質恰恰相反。目前已經有許多證據顯示黑洞存在，但是還沒有任何證據表明白洞存在，因此白洞仍然只是一種由理論推導而出的假想星體。

有些理論家假設黑洞和白洞彼此連接，在其中連接的通道叫蟲洞，這成為許多科幻小說的主題。迄今為止，科學家們還沒有觀察到蟲洞存在的證據，一般認為這是由於蟲洞很難和黑洞相區別。

差不多就這些了，最後給一個近年來比較有名的「進入黑洞」視頻，供小朋友們參考：

從傳統意義上理論黑洞是可能存在的天體，但如果回溯人類對物質描述的方式，再從天地的總體構象中總結問題，可以看出黑洞不是一個實體，而是一片區域，引力波的發生實際來源於周邊天體，僅僅是在星系中心地帶被彎曲了，黑洞的中心引力必然是零。

現有科學概念中錯誤地將真空視為一種存在，這是有問題的答案和方式，這個宇宙只有物質沒有空間，所謂的空間實際就是物質。空間就是我們沒有探測到結構的微小物質顆粒組成，它的微小結構具有星系和星體的一切特點。

吸積盤、引力視界已經被證實了，有M87室女座A橢圓星系中心大質量天體吸積盤觀測照片。

但視界裡面是什麼，目前技術水平無法證實。

已經被證實存在了，現在可以通過引力波，射電望遠鏡，深空望遠鏡等很多手段都可以證明了黑洞的存在，之前不也發照片了嘛哈哈哈哈