宇宙中的可见物数量：太空密码解析

黑洞是怎么形成的？黑洞其实是在广义相对论中涉及的一种奇异的天体。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料，再也没有足够的力量来承担外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，发生爆炸。一个特别大的恒星，它的万有引力非常大，那么在它爆炸后，抛出去一部分物质，而剩下的一部分物质的质量依然足够大，它的万有引力也很大，因此它的收缩幅度越来越大，物质也越来越密，就变成了一个看起来像压缩饼干的过程，这个过程叫作“坍缩”。恒星坍缩后变得足够小，因为它的万有引力太大了，它的事件视界边上的引力就变得很强大，光都逃不出去，直到最后形成体积趋于零、密度趋向无限大的“点”，这就是黑洞。

天文学家把黑洞的外边缘称为“事件视界”，事件视界是一种时空的区隔界线，处于事件视界之外的观察者没有办法知道黑洞内的信息。当物质太过于靠近黑洞时，它将被事件视界完全吞噬，导致这个物质从观测的宇宙中消失。在黑洞非常巨大的引力影响下，任何落入事件视界的东西都是有去无回的，连光和辐射都无法逃出去。

引力坍缩是恒星或星际物质在自身物质引力的作用下向内塌陷的过程。产生这种情况的原因是恒星本身不能提供足够的压力以平衡自身的引力，从而使恒星物质彼此拉近而产生坍缩。

北京时间2019年4月10日21时，“事件视界望远镜”项目在全球多地同时召开发布会，天文学家们欣喜地公布了人类首次拍到的黑洞照片—这个被直接“看”到的黑洞，位于室女座星系团超巨椭圆星系M87的中心，它的确像一片阴影，被一个明亮程度不一的光环所环绕。在科学家眼中，模糊而简单的暗影十分迷人，它是最接近黑洞本身的图像，透露着黑洞的许多本质。

继人类在2015年通过引力波探测“听到”了两个黑洞的“合体”之后，这张照片成为黑洞存在的直接“视觉”证据。就像一位研究黑洞20多年的科学家所评论的，这张看起来有点模糊的照片意义非凡，它再次验证了爱因斯坦的广义相对论对黑洞的预言是对的，并将进一步帮助科学家解答星系演化等一系列宇宙本质的问题。

如果我们必须要到黑洞里走一圈的话，我们必须选一个比较大的黑洞，跑到小黑洞的我们会很惨。为什么呢？因为黑洞会产生一种所谓的潮汐力，这种潮汐力我们很熟悉，即引起大海潮涨潮落的力，其实就是万有引力。黑洞越小，潮汐力越大，你的身体就会变得像面条一样——越拉越长，下场会很惨。如果所选择的这个黑洞半径大约是1200万千米，我们的身高大约是2米，2米和1200万千米相差很大，这样的话我们基本上不会受到任何伤害。

图片来源：中国科学院上海天文台

黑洞

当引力源对物体产生力的作用时，由于物体上各点到引力源的距离不等，所以受到的引力大小也不同，从而产生引力差，对物体产生撕扯效果，这种引力差称为“潮汐力”。黑洞的潮汐力会导致物体被拉长或撕碎，物理学界称之为“意大利面条化”。

在物理学世界，暗物质、暗能量非常特别，暗的意思就是我们看不见，也很难探测到。既然暗物质和暗能量看不见，很难探测到，那我们为什么还会知道它们的存在呢？因为我们发现，在星系里恒星的运动速度和我们观察到的星系里恒星的分布与推论的结果是不一致的。按理说，如果仅仅存在恒星的话，越靠近星系外侧，恒星的速度会越小。但是天文学家发现，即使在星系外侧，恒星的速度也基本上不变。所以天文学家说，在星系里一定还有更多的、其他的我们不知道的物质产生了更强的万有引力。天文学家通过这种间接的手段推断出宇宙中必定存在暗物质。星系里有暗物质，星系团里也存在暗物质。

暗物质（Dark Matter）是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。

不说大型的星系，单以我们所在的太阳系为例，在万有引力和距离的共同作用下，越靠近太阳的行星，绕太阳旋转的速度越快，越远就会越慢，这就是著名的开普勒定律。然而，科学家们对太空中大量星系的观测结果却并不符合这一定律。为此有科学家提出，只有假设这些星系中存在质量巨大的不可见的物质，并且这些不可见物质比可见物质还要多，观察到的星系运动规律才会和开普勒定律相吻合。因为宇宙中的可见物质远远不足以把宇宙连成一片，如果不是存在一种神秘而不可见的物质，星系早就分崩离析了。

怎么探测暗物质呢？暗物质只参与引力相互作用，它不参与我们通常了解的，比如电磁力的相互作用。它到底参与什么力？为了搞清楚这个问题，现在的物理学家在地球上开展了探测暗物质的实验，因为它总要参与某种力，所以我们有可能在地球上探测到这个暗物质。中国四川锦屏山的地下隧道里，就有两项相关的实验正在进行中，这是我们中国人的实验。实验用的思路就是假设暗物质还会跟原子核产生一点点力相互作用，那么就有可能在一堆液态氙里，突然某个原子核感受到了暗物质，这个原子核感受到暗物质就有反冲，这个反冲就可以利用我们的仪器来探测，这就是所谓的直接探测。在太空里还有一种方式是间接探测，中国也有间接探测的实验，比如中国科学院紫金山天文台主导的“悟空号”暗物质粒子探测卫星计划。2015年12月17日我国在酒泉卫星发射中心用“长征二号丁”运载火箭成功将中国科学院第一颗空间科学卫星系列首发星—暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空，卫星顺利进入预定轨道，这就是间接探测。探测暗物质粒子发生衰变或者湮灭之后产生的稳定的高能光子或者电子，可以被卫星上的仪器探测到。

“悟空号”暗物质粒子探测卫星

暗物质的探测除了直接探测和间接探测外，还有粒子碰撞探测。

在高能粒子对撞实验中，可能会产生出暗物质粒子，之后再结合直接或间接探测手段，确定对撞机中产生的粒子是否为暗物质粒子。大家不要以为宇宙中所有看不见的“暗”都是暗物质，也有可能是暗能量。

暗能量是什么？它跟普通物质不一样，没有等价的质量，跟光也不一样，是纯粹的能量形式。暗能量没有质量，但是会产生万有斥力，让宇宙膨胀的速度越来越快。20世纪末，两组天文学家通过哈勃望远镜发现宇宙的膨胀速度越来越快。所以结论就是宇宙组分有三种：第一种是物质，就是组成恒星、行星、星际物质、星云的普通物质；第二种是我们看不见的，但是在星系和星系团里普遍存在的暗物质；第三种是暗能量，暗能量比暗物质更多，而且弥漫在整个宇宙空间。

暗能量是驱动宇宙不断向外扩张的能量，占宇宙总质量和总能量的70%～74%，支配着宇宙的终极命运。

恒星、行星和星际物质

星系团（Galaxy Groups and Clusters）是由星系组成的自引力束缚体系，包含了数百到数千个星系。包含了少量星系的星系团叫作星系群。(www.xing528.com)

目前已知的暗物质属性：

（1）参与引力相互作用，是有质量的；

（2）应该是高度稳定的；

（3）基本不参与电磁相互作用；

（4）运动速度远低于光速。

按照宇宙大爆炸理论，在大爆炸发生后，宇宙的膨胀速度将因为物质之间的引力作用而逐渐减慢，就像缓慢踩刹车的汽车一样。但科学家们观测发现，那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。换句话说，就是宇宙在加速膨胀，仿佛一辆不断踩油门的汽车。到底是什么样的力量在促使所有的星系或者其他物质加速远离呢？科学家们将这种与引力相反的斥力来源，称为“暗能量”。

今后的10～20年将有很多大型的天文学仪器问世。这些望远镜主要的科学任务是确定暗能量到底有多大，暗能量的成分如果能精确到1%以下，那我们就会了解暗能量的形式是什么，暗能量的密度到底是否发生变化。这些非常重要，因为暗能量对决定宇宙的命运起到至关重要的作用。如果暗能量密度越来越小，那么宇宙就会一直膨胀下去，但是会慢慢刹车。而如果暗能量是恒定的，宇宙就会变得越来越大，那么也许在1000亿年以后，我们在银河系里就看不到其他的星系了。还有一种可能就是暗能量变得越来越大。那么有可能在1000亿年或者300亿年以后（时间跟具体的观测数据有关）宇宙会突然被撕裂，我们突然看不到其他恒星了，连月亮也看不到了，这就是宇宙大分裂。

时空弯曲是广义相对论的四大预言之一，100多年前由爱因斯坦提出，完全变革了人们的宇宙观，它断言引力场，也就是我们所谓的物质，会使时间和空间发生变形。

时间和空间弯曲是什么含义？比如，山的表面是弯曲的，当你从山顶推下一个石子，石子顺着山的表面滚下来，它走的一定不是一条直线，而是一条曲线，如果可以测量这条曲线，你会发现这条曲线是在山的表面上，从山头的那一点到山底的那一点是最短的线。同样，不仅仅地球的表面是弯曲的，整个三维的空间也是弯曲的，时间也是弯曲的。爱因斯坦的理论告诉我们，时间和空间是弯曲的，因此一个行星绕着太阳转，月亮绕着地球转，它们走的短程线，看上去不是直线，而是椭圆。从四维空间来看，我们把时间想象成另外的一个箭头，那么这个椭圆，就会被拉长成一个螺旋线。因此，从夏至到夏至，从冬至到冬至，它看起来不是一个闭合的椭圆，而是一个螺旋线。只不过说从冬至到冬至，在空间上是一个点，但是被时间拉开了。

时空弯曲

什么能使时间和空间弯曲？爱因斯坦认为能使时间和空间弯曲的是质量和动量。怎么证明爱因斯坦是对的呢？爱因斯坦预言，如果一个星光路过太阳时弯曲，那么我们在不同时间看到恒星的位置是不一样的。爱因斯坦预言光路过太阳会弯曲后仅仅几年，有几组天文学家，包括英国的天文学家爱丁顿，率领团队在日食时观测到了星光弯曲的现象。

根据广义相对论，大质量天体会引起空间本身产生弯曲，弯曲的程度与其质量和质量中心的距离相关。光通过弯曲程度越大的空间，走的“弯路”越长，耗时也越久。

知道了时空弯曲，我们就更容易理解引力波是什么了。在物理学中，引力波是指时空发生弯曲时产生的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。

在发现引力波前，我们都知道电磁波是存在的，引力波跟电磁波非常类似，它是宇宙中最基本的波之一。而且非常有意思的是，引力波跟电磁波有一个性质是一样的，就是它们运动的速度是一样的，每秒30万千米。但是引力波是不同于电磁波的，电磁波是由电荷振动产生的，而引力波是由质量的运动产生的。

那么引力波是怎么被探测到的呢？2016年2月，美国通过激光干涉引力波天文台（Laster Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）探测到了引力波。科学家在华盛顿州和路易斯安那州放了两台专门探测引力波的仪器，这个仪器的形状像L型。他们得出的结论是，两个黑洞合并成一个更大黑洞的过程中会产生辐射，两个黑洞本来是有一定的距离，互相绕着转，后来由于辐射引力波，两个黑洞损失了能量，所以它们靠得越来越近。在最后的一刹那，就是一秒之内，它们突然合并成一个更大的黑洞，这个过程辐射的引力波强度最大，因此被LIGO的两个专门探测引力波的仪器探测到了。严格说来，100多年前爱因斯坦已经预言了引力波，现在科学家证实了他的预言。在未来，我们希望类似这样的探测仪器还会“看”到更加壮观的事件。

引力波

我们在坐飞机和电梯时，一定感受过瞬间的超重和失重。而在太空旅行时，这样的超重和失重就显得小儿科了。科学家预测，人类下一个移居的目的地是火星……那么关于失重和火星生活你了解多少？

在太空失重后，我们会怎么样？

电影《火星救援》给我们怎样的启示？