爱因斯坦的相对论和黑洞有什么关系？

广义相对论是爱因斯坦在1915年提出的用于描述引力的理论，其中最重要的是引力场方程。通过解这个方程，可以推导出很多未知的现象和天体。

就在广义相对论提出一个月后，史瓦西从引力场方程中得到了第一个精确解。根据史瓦西解，宇宙中可能存在一种可以把光也束缚住的绝对黑暗天体，这就是后来所说的黑洞。

黑洞的引力非常极端，它能让空间发生弯曲到使得光无法逃脱的程度，所以黑洞本身无法直接观测到。由于黑洞的表面把时空分隔开来，我们无法观测到黑洞的内部，所以黑洞的表面又被称为事件视界。根据黑洞的表面逃逸速度刚好就是光速，可以推导出黑洞的半径（又称史瓦西半径）：

可以看到，黑洞的半径只取决于质量，质量越大，黑洞半径也会越大。

长久以来，天文学家一直在寻找黑洞的踪迹。但由于黑洞的特殊属性，天文望远镜无法直接观测到黑洞，只能找到一些间接的证据。天文学家注意到，宇宙中的某些恒星会环绕看不见的致密天体运动，并且还有相应的电磁波辐射出来。通过理论计算和实际观测，天文学家可以间接地推测出黑洞的存在。另外，几年前探测到的双黑洞合并产生的引力波也能证实黑洞的存在。

不过，天文学家也没有放弃对黑洞进行成像。虽然黑洞本身不可见，但它们在吞噬物质时会在周围形成明亮的吸积盘。通过拍摄这种发光结构，可以让位于中心的看不见黑洞的轮廓显示出来，这样就能确定黑洞的存在。

为了拍摄到黑洞的轮廓，需要口径相当于地球直径的射电望远镜。虽然人类目前无法制造出如此庞大的望远镜，但通过干涉技术，可以实现等效口径达到地球直径的射电望远镜。基于此，天文学家终于拍摄到5500万光年外的超大质量黑洞的阴影，从而直接证明黑洞的存在，此时距离黑洞预言已经过去了100多年。

为什么宇宙星系中的超大质量黑洞那么多？

众所周知，整个宇宙范围内密度最大的物体就是黑洞，只要是移动到其事件视界范围之内的物质，都会在它强大的引力作用下最终被吞噬。但是，黑洞也有不同的类型，比如，由我国天文学家发现的已知最大恒星质量黑洞LB-1，便是一种不同于中等质量恒星黑洞和超大质量黑洞的恒星质量黑洞。

而在所有大型星系中心，都普遍存在的超大质量黑洞，其平均密度则要比其他类型黑洞低得多，甚至可以低于我们地球上的空气密度。原因并不复杂，一个黑洞的施瓦西半径值和自身的质量成正比，但它的密度却跟自身的体积成反比关系。也就是说，黑洞的半径越大，意味着自身的密度越小，就连视界附近的潮汐力作用都会减弱。

一直以来，尽管科学家们已经对恒星质量黑洞的形成过程有所了解，但依然很疑惑为什么宇宙中会有这么多的超大质量黑洞。因为，即便大型恒星坍塌之后能够形成质量也相对更大的黑洞，但为什么每个星系中心的都有，怎么可能有这么多刚刚好的巧合呢？所以，科学家们疑惑这些宇宙中超大质量黑洞的形成，是否还与周围的星际气体和恒星有关？

超大质量黑洞的起源-原始气体云坍塌，为什么不足以解释所有现状？

超大质量黑洞的起源之谜

黑洞跟宇宙中的其他事物一样，除了有质量、密度和引力这些与施瓦西半径值有关的属性之外，同时也因为形成时间不同而有了年龄一说：

比如，诞生于宇宙大爆炸后大约6.9亿年的ULAS J1342 + 0928，它的质量相当于10亿个太阳加起来的总和。如此短的时间就形成质量这么庞大的黑洞，的确很难通过现有的黑洞形成理论来合理解释。

根据目前的研究，尽管所有已知大型星系中心都有一个、甚至更多数量的超大质量黑洞存在，但是，这些超大质量黑洞之间也存在明显的质量差异：

比如，早在多年之前，科学家们就在NGC 3842和NGC 4889星系中发现了两个更特殊的超大质量黑洞，因为，它们的质量相当于太阳的97亿倍以上。

而我国科学家发现的一个大约120亿倍太阳质量的超大质量黑洞，由于它的形成时间大约在早期宇宙，就更难通过现有的黑洞形成理论来进行解释了。

为什么超大质量黑洞不都形成于原始气体云坍塌初期？

很多人都知道，恒星最初的质量会直接决定它的生命周期和演化阶段。在宇宙空间中，有很多巨型云层中都饱含星际气体，而超大质量黑洞的诞生，很可能就始于这些云层坍塌之后形成的恒星。然而，之前有研究表明，这种巨大云层直接坍塌形成恒星的情况，应该只可能发生在金属含量不高的云层。

也就是说，在这些坍塌后形成超大恒星的云层中，不能含有比氦和氢更重的一切元素，因为，此类重元素会导致云层的动力学发生改变。而就这个过程的本质而言，其实就是气体云会因为金属而变得冷却。所以，当此类云层因为自重而坍塌的时候所形成小恒星，完全不足以形成最终能够演化为超大质量黑洞的恒星类型，这便是为什么科学家们认为，宇宙各大星系中的超大质量黑洞，一定不都始于原始气体云坍塌的初期。

超大质量黑洞的前身-当巨型云层中存在重元素，超大质量恒星如何形成？

日本国家天文台表示：即便巨型云层中的确有部分重元素存在，但也可以通过之后的气体积聚和恒星合并事件，逐渐形成能够演化为超大质量黑洞的超大质量恒星。这项研究结果，主要是通过“ ATERUI II”这台超级计算机模拟完成，3D高分辨率模拟，完美的呈现了恒星在形成之后的生长过程。

巨大云层破碎对超大质量恒星的形成有多大影响？

下图中呈现的是：巨大云层在坍塌之后的300年到600年时间中，那些可能演化为超大质量的恒星在质量上发生了怎样的变化。每一行的金属浓度都有所不同，而第一行则是不含重元素的云层，而黑点所代表的恒星质量，会比可能被吞噬的白点所代表的恒星质量更大。

重元素的金属性不仅导致了巨大云层的冷却和破碎，同时还产生了能够让小质量恒星和中心大质量恒星合并的强大气流。所以，那些能够形成超大黑洞的超大质量恒星，它们的诞生其实跟原始云层的金属性没有太大关联。这便是为什么它能够解释宇宙的各大巨型星系中，真实存在着数量庞大的超大质量星系，弥补了之前形成理论难以解释的部分。

模拟结果证明了因为重元素而破碎的气体云，在形成大量小质量恒星之后，并没有导致超大质量恒星在诞生数量上明显减少。简单来说，虽然重元素的金属性能够冷却云层致其破碎，但并不足以导致那些能够形成超大质量黑洞的大量恒星真的无法形成。为了更便于大家理解，下面这张图片展示的就是超级计算机ATERUI II呈现出的模拟黑洞图像：

位于图片中心附近区域的黑点，示意了真实宇宙环境中存在的大量恒星，而黑洞就是这些恒星在经历一段时间演化之后形成的产物。而其中白色小点代表着大约10个太阳质量那么大的恒星类型，它们的诞生都始于气体云坍塌之后形成的碎片。正是那些质量比较小的恒星，与位于中心位置的更大质量恒星之间的合并过程，才进一步促使了大质量恒星拥有了更快的生长速度。

恒星质量的增长在气体聚集和小质量恒星合并上是否对等？

虽然，超大质量黑洞只是黑洞类型中的一种，但科学家们探测到的每一个大型星系，其中心都至少存在一个超大质量黑洞。要知道，黑洞越大，它对周围事物的影响也就越大，因为它的生长就是通过吞噬周围的物质来实现。而形成超大质量黑洞的超大质量恒星，它们在演化过程中质量的变化也是相同的道理，并非所有恒星的质量在诞生的时候就决定了，而且，就连它们质量的增长方式也并不单一。

事实上，在云层坍塌形成大量碎片的同时，其中心同时还存在着强大的气流，而那些质量相对更小的恒星，则会被这股超强气流引向中心位置，然后被等待着的超大质量恒星直接吞没。

为了更直观的呈现出那些最终能够形成超大质量黑洞的恒星是如何得到自己的质量，在整个研究过程中，科学家记录下了气体聚集，以及小质量恒星合并对超大质量恒星的形成贡献分别有多大：

在上面这张图中，红色的部分代表着恒星质量通过气体聚集得到的增长情况，而绿色部分和蓝色部分则示意的是恒星质量通过合并事件得到的质量增长，这两个的区别只在于：两者合并的恒星质量，分别为大于100个太阳质量和小于100个太阳质量。

总而言之，虽然重元素的金属性导致了巨型云层难以直接形成质量足够大的恒星，但却依然可以通过大质量恒星蚕食小质量恒星的这个过程，让原本质量不足以演化为超大质量黑洞的恒星生长的越来越大。

超大质量黑洞的起源-跟我们自身是否有关，能解开宇宙中的哪些疑团？

就在我们的银河系中心，同样也存在一个全名为Sagittarius A*的超大质量黑洞，我们通常将其叫做人马座A*。从距离上来说，可能不少人会觉得这个离我们更近的黑洞，应该更有利于科学家们去观察它的动态。

但事实并非如此，由于我们的地球所在的太阳系，与人马座A*所在的银河系都在同一个星系，反而给实际观测带来了诸多不便。

所以，科学家们通过事件视界望远镜拍摄到的第一张黑洞照片，也并不是距离我们最近的人马座A*，而是与地球像个5500万光年遥远的M87*黑洞，它的质量大概是太阳的65亿倍左右。大家可以看出，只有距离足合适且质量够大的超大质量黑洞，才有可能被分布在全世界的八个毫米/亚毫米波射电望远镜抓取到它的关键信息。

了解各种类型黑洞的形成过程，不仅是认知黑洞这种宇宙物体本身的特性，同时也关乎到其他与黑洞同处一个星系中的其他星体。从恒星的形成，到整个星系的演化，其实都与星系中心的超大质量黑洞密切相关，而位于银河系中、我们人类赖以生存的地球也同样不会例外。

地球上的生命还能够繁衍生息多久，除了会受到生活在地球上的生物影响之外，还跟地球之外的宇宙物体有关。比如，母恒星太阳自身演化阶段的更迭，以及银河系中超大质量黑洞的活动情况等。虽然，人类目前尚未实现对黑洞进行直接观测，但通过科学家们的努力和科学技术的进步，黑洞这个宇宙中最神秘的物体之一，它和我们之间的距离已经越来越近。

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