仅仅是在太阳系内部,地球就已经显得如此渺小,而这正是理解宇宙尺度最直观的起点。
若把地球按比例缩小至1.5厘米,那么太阳的直径也不过1.64米,可即便如此,两者之间仍相隔176米之遥。
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而当视线从行星、恒星移开,把目光投向宇宙中真正的巨兽时,就会发现在浩瀚宇宙中,最庞大的天体并不是行星,也不是恒星,而是黑洞。与行星、恒星不同,黑洞没有物理尺寸上的上限,理论上可以无止境地生长下去。
当然,现实中要形成不同类型的黑洞,需要满足各自特定的条件,从极其微小的原初黑洞,到宇宙中最大的单一天体,跨度令人震惊。那么黑洞究竟是如何一步步长大的?
宇宙中已知最大的黑洞又能大到什么程度?以下内容不会展开讨论黑洞的工作原理或形成机制,仅聚焦于寻找宇宙中最大的天体。让我们先从极小的一端说起。
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先说原初黑洞,这类最小的黑洞可能存在,也可能不存在。如果它们确实存在,那将是宇宙中最古老的天体,甚至比原子还要古老。
它们可能形成于大爆炸刚刚发生之后的极短瞬间,那时的宇宙充斥着极端致密而狂暴的能量,只要某一微小区域的密度稍稍高于周边环境,就有可能坍缩成黑洞。
能存活至今的最小原初黑洞,质量大约为一万亿千克,相当于一座大山的重量,但其体积却小到不超过一个质子。一个质量与地球相当的原初黑洞,也仅比一枚硬币略大一些。
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正因如此,它们极难被观测到,目前人类还没有直接探测到任何一个原初黑洞。如果它们真的存在,甚至可能就是维系星系结构的神秘暗物质。
接下来谈谈那些已经被确认存在的黑洞,也就是恒星级黑洞。要形成黑洞,必须将足够多的物质压缩到坍缩点,此后再向其中投入更多质量,它就会持续增大。
在今天的宇宙里,只有最剧烈的宇宙事件才能提供必要条件,比如中子星并合,或者大质量恒星的核心在超新星爆发中坍缩。为了方便讨论,这里以太阳质量为单位,约合两百万亿亿亿千克。
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目前已知最小的黑洞质量约为太阳的2.7倍,对应一个直径大约16公里的球体,足以覆盖整个巴黎。
另一颗轻量级黑洞是红巨星V723 Mon的伴星。这颗红巨星比太阳大24倍,直径达三千万公里,却被一个仅17.2公里宽的小黑洞牵引甩动。
这个小家伙欺负着巨星,两者体积悬殊到几乎无法在同一比例尺下呈现。已知最大的恒星级黑洞之一是M33 X-7,它正一点点吞噬着一颗质量为太阳70倍的蓝巨星。
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被剥离的物质像水流入下水道一样螺旋着落向黑洞,摩擦升温至极高的温度,发出耀眼夺目的辐射,把整个恒星系统点亮成一台巨大的天体机器。
在这台机器所在的层级之上,还有更为惊人的存在——超大质量黑洞。它们静静地盘踞在几乎每一个大型星系的中心,质量动辄相当于数百万乃至数十亿颗太阳。
银河系中心的人马座A就是这样一位邻居,它的质量约为太阳的四百万倍,事件视界的直径可达两千四百万公里,足以把水星轨道整个吞进去。而与其他同类相比,人马座A其实还只是不起眼的中等身材。
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再往上,就是那种比数千个满是恒星的星系还要明亮的吸积盘所环绕的怪兽。因为质量之极端,它们值得获得单独的头衔:极超大质量黑洞。
星系OJ 287中心的极超大质量黑洞质量为180亿倍太阳质量,庞大到有另一个"超大质量"黑洞——比人马座A*还要大将近四十倍——在围绕它运转。这样的存在挑战着想象力,几乎找不到合适的类比物——它足以并排容纳三个太阳系。
最后来到王者中的王者,TON 618,这是一个正在吞噬相当于整个星系物质量的黑洞,其亮度相当于一百万亿颗恒星,在180亿光年之外仍然清晰可见。
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它的质量高达660亿个太阳质量,如此庞大以至于光线在越过事件视界之后,还需要整整一周才能抵达其奇点。它内部可以并排放下大约11个太阳系。
它极有可能是宇宙中最大的单一天体。而且实际上它可能还要更大——由于TON 618距离极远,人类现在观测到的其实是它一百亿年前的模样。
不论如何,黑洞既令人畏惧又充满神秘感,且极其巨大。在其他一切都归于寂灭之后,它们仍将存在,并且不断变得越来越大。
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在此值得补充说明的一点是,把黑洞像交易卡片一样按尺寸大小排出座次,事实上是无法真正做到的。人类已经编目了数以百万计的恒星,但真正拥有可靠数据的黑洞其实只有几十个。
这是因为对黑洞的观测研究直到五十年前才刚刚起步——严格来说,如今仍然做不到直接"看见"黑洞。
研究者只能通过它们对周围物质的引力效应来推导其性质,比如靠近它们的恒星的运行轨道。这种效应取决于黑洞的质量,而质量的最基础估算依赖于开普勒定律,但由此带来的不确定性和误差范围都相当巨大。
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接着还要把质量换算成尺寸,这一步又会引入新的不确定性。举例来说,通过史瓦西方程从质量推算半径时,为了简化,会假设黑洞是完美球形且不自转的——而这种黑洞在现实中并不真的存在。
事实是,在这种尺度上,物理规律本身就带有一定的模糊性。因此这些提到的黑洞,实际直径可能远比给出的数值大,也可能小得多,没有人能确切知晓。
正因为这种测量上的困难,人类对宇宙尺度的直观感受,其实一直是模糊的。要真正把握它的大小,只有借助比例缩放的想象。
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这意味着即使经过如此极端的压缩,人类想要走遍这个"迷你宇宙",依旧遥不可及。
用飞行器的速度来对照就更清楚了。旅行者一号是当今飞得最远、最快的人造飞船之一,飞行速度约为每小时六万公里,如今它已经在星际中航行了整整47年,累计飞行距离达到243亿公里,却仍不足一光天的路程,换算成光年不过大约0.0025光年。
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也就是说,凭借人类目前最先进的推进能力,还需要花费两万多年的时间,才能勉强突破一光年的尺度。而可观测宇宙的直径,是它的将近千亿倍。
从一个质子大小的原初黑洞,到能装下11个太阳系的TON 618;从火星拍下的地球小亮点,到那需要两万年才走一光年的星际探测器,这一切都指向同一个结论——宇宙真的太大了。
哪怕已经按比例缩小成一个玩具模型般的宇宙,其中的距离依然远远超出人类的直观理解范围。而在这一切归于寂静之后,仍然会有一群沉默的巨兽继续吞噬、继续生长,静静守望着这个庞大得近乎荒诞的宇宙。
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