天文|黑洞是如何被发现的？宇宙最大黑洞|黑

“天文学家是如何发现第一个黑洞的？由谁发现的？何时发现？请解释一下第一个黑洞如何被发现。 ”

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没有哪一位天文学家可以独领发现黑洞的荣誉。在解释天文学家如何发现黑洞存在的迹象之前，有必要了解两条重要的物理学背景知识。

任何高于绝对零度（-273摄氏度）的天体都会发射出热能，辐射的峰值波长取决于天体的温度。例如，太阳的表面温度大约6000开，所以当它的排放达到峰值时，会以绿光的形式呈现出来。如果一个天体的温度在100万度左右，它的峰值发射就会是X射线。

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2.恒星通常因与热气压力和辐射压力有关的引力而免于坍缩。但是，一旦热能来源（核聚变反应）切断，恒星就会坍缩。事实证明，当恒星变得越来越致密时，除了气体压力，还有其它力量会抵消引力，比如直径仅为10公里的中子星。但天体物理学家钱德拉塞卡尔证明，一旦恒星超越了一个最大质量，将没有任何东西可以与引力抗衡。因此，如果我们在太空中发现了一个致密天体，其质量超过了临界质量，我们就可以确定这是一个黑洞。

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图解：被银河中心黑洞扯碎的气体云（2006年、2010年和2013年的观测结果分别是以蓝色、绿色和红色表示）图源：wiki
现在回到寻找黑洞的问题上：如果没有东西能逃离黑洞，黑洞又如何被发现呢？试想一个双星系统，一个是黑洞，另一个是正常恒星。如果正常恒星的包层极度接近黑洞，黑洞猛烈的引力就会抽走正常恒星的气体，将其撕碎、吞噬。
然而，由于角动量守恒，气体不会直接陷入黑洞，必须围绕它运行一段时间，才会被吸进去。所以，黑洞周围形成了一个盘状结构，气体被黑洞缓慢吸收。当气体绕圆盘轨道运行时，它的温度会上升到几百万度，发出光谱中X射线部分的辐射（根据以上第一条注释）。所以，当我们在空中探测到X射线源，就说明该处存在加热到几百万度的气体，而黑洞周围的吸积盘就是实现这一点的机制之一。

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【天文|黑洞是如何被发现的？】如果发出X射线的系统是一个双星系统，那么就可以证明其中一颗恒星是一个致密天体（中子星或黑洞）。双星系统对天文学家的研究非常有用，它可以帮助我们测量出系统中恒星的质量（根据开普勒定律）。如果致密天体的质量超过了上述提到的临界质量，就可以确定它是一个黑洞，以上便是发现黑洞的方式。

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图解：天鹅座X-1的X射线图源：NASA
现在来看看实际发现：上世纪70年代初，一个很强的X射线源于天鹅座被发现，被命名为天鹅座X-1 。随着时间推移， 1972年春，天鹅座X-1被认为是一颗恒星，编号为HDE226868（为射电源）。很快就证实它是一个周期约为5.6天的双星系统。

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图解：艺术家对HDE226868-天鹅座X-1双星系统的意想图图源：ESA/Hubble illustration
根据狭义相对论，任何东西的传播速度都无法超过光速。因此，在光从其一端到达另一端所需的时间内，一个天体不能改变它的光度。对天鹅座X-1的分析显示，如果天体放射的光度变化在时间上短至千分之一秒，该天体则只有几千公里宽。所以，证据表明其中一个恒星是致密星。最后，天文学家利用双星系统确定了致密星的质量，发现它大于临界质量，极有可能是一个黑洞。这是宇宙中第一个被发现的黑洞。

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图解：质量达太阳10倍的黑洞之电脑模拟图图源：wiki

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图解：在巨大椭圆星系M87核心的超大质量黑洞图源：EHT
从那时起，天文学家利用多种方式探测到了太空中的数个黑洞。虽然有一类黑洞质量相对较小（大于太阳质量的5倍），但也有一些黑洞质量特别大（超过太阳质量的100万倍），被称为超大质量黑洞。这些黑洞被发现于几个星系的中心，而我们的银河系中心拥有一个200万倍太阳质量的黑洞。