黑洞与伽马射线

黑洞周围聚集大量气体与尘埃，形成一个剧烈活动的核心区域。当物质被黑洞强大引力牵引，开始向内坠落时，并不会直接消失，而是先在周围形成一个高速旋转的结构，称为吸积盘。在这个过程中，气体与尘埃因为摩擦与压缩而急速升温，释放出大量能量。这些能量不仅限于人类肉眼可见的光。事实上，活动星系核发出的辐射横跨整个电磁波范围，从电波、可见光到X射线与伽马射线都包含在其中。

伽马射线即γ射线，是电磁波谱里面波长最短频率最高的那一段频谱，
先了解一下电磁波谱

我们人类现在看到和感受到，甚至吃喝拉撒涉及到的一切，都要依赖电磁波。为什么这么说呢？因为电磁波充斥着我们世界每一个角落，只要绝对零度以上，任何物体都会有电磁辐射，所谓电磁辐射就是依靠电磁波传递的。

电磁波是依靠光子

传递的，因此也可以称为光波。但这个光波分为可见光和不可见光，在日常生活中，光波一般只是指电磁波谱中的可见光部分，可见光只是夹在电磁波谱中间那么一小段。电磁波最长的波段有数公里，甚至更长；最短的只有1埃米以下，这最短的就是伽马射线。

电磁波有波长和频率，波长与频率成反比，即：波长越长，频率越低，能量就越小；反之，能量就越大。电磁波波长和频率的关系为：c=λf。这里c为光速，λ为波长，f为频率。电磁波波长最长的是无线电波（包括长波、中波、短波、微波），以后从长到短依次为：红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。

无线电波的波长在千米级到毫米级，长波无线电波长可达数千米，最短的微波波长只有0.1毫米；可见光波长约在760nm到380nm之间，nm即纳米，1毫米=1000μm（微米），1μm=1000nm，1nm=10^-9m（米）。可见光后面的紫外线、X射线、γ射线（伽马射线）波长就一个比一个短了，γ射线是电磁波中波长最短的高能射线，波长只有0.1nm以下。

这个世界上所有的物质都在震动，因此都有频率。频率就是物体每秒钟的震动次数，而电磁波的频率就是电磁波每秒钟震动次数，表示单位为Hz（赫兹）。无线电波频率在1000Hz或更低，到10^9Hz之间；可见光频率范围在3.9*10^14到7.7*10^14Hz之间；伽马射线频率范围最低为10^12Hz，最高可达10^30Hz以上。伽马射线波段最长的只有0.1nm，且其频率是每秒钟震动万亿次以上，因此γ射线是宇宙中最强大的“光”，但这种光看不见，

伽马射线对生物的损害原理

伽马射线由于其波段非常短，能量极高，因此可以穿透任何生物的机体。生物机体都是由细胞组成的，而每个细胞里最核心的是遗传物质DNA。比如人体由40~60万亿个细胞组成，这些细胞有大有小，最大的细胞是卵细胞，成熟的卵细胞有200μm（微米）；最小的细胞是血小板，直径只有约2μm。人体受到γ射线照射，γ射线就会进入人体细胞，与细胞发生电离作用，电离后的离子会侵袭细胞里复杂的有机分子，破坏细胞组织。细胞里最重要的核心遗传物质为DNA，是一种双螺旋结构的大分子，其盘踞在细胞核心，主导着细胞的生死和遗传。

这个DNA双螺旋体打开长度约两米，如果把1个人细胞中的所有DNA全部打开并连接起来，据称可从地球往返太阳300多次。但DNA螺旋的直径只有2nm，伽马射线会打断并破坏其结构。因此，当生物受到γ射线照射，都会被打断DNA分子键，让生物机体再也无法生存。当辐射量很大时，生物会瞬间死亡，即便辐射量不大，但机体DNA分子键受损严重，也会缓慢死亡。那种死亡是看着自己机体一寸寸死去的样子，异常恐怖。在臭名昭著的切尔诺贝利核电站爆炸事故中，就有许多居民和救火队员遭受这种地狱般的折磨而死去。

伽马射线产生原理

放射性原子核在发生α衰变、β衰变后会产生一个新核，这个新核处于高能量级，必须向低能级跃迁，跃迁过程就会辐射出γ光子，这就是γ射线。γ射线在核聚变

和核裂变中都会发生，因此在宇宙中充满了γ射线辐射。

太阳的核聚变在体积半径1/4以内的核心里面持续不断进行，主要过程是发生氕核与氕核的链式反应，是从氕到氘再到氦-3，最后到氦-4的反应过程。结局就是4个氕原子核聚变融合成一个氦-4原子核，并在这个过程中释放出伽马光子、中微子和正电子。中微子由于穿透能力极强，很快逃逸出太阳表面到达太空，而携带巨大能量的伽马射线逃离并不容易。

这就涉及到太阳内部光子漫步理论了。光子的传播特点就是真空最快，达到每秒30万千米，但在介质中却磕磕碰碰。太阳内部充满了质子，光子每走一步都会遇到质子，不断进行碰撞和交换。因此，这些光子要穿透70万千米半径的太阳，要与质子碰撞交换10^26次之多，每交换一次就消耗都会衰减，经过几十万年甚至几百万年到达太阳表面的光子，主要就是可见光了。

所以各位不要奇怪，照在我们身上的阳光，其实是在几十万年甚至几百万年前就诞生的光子。

据科学分析，阳光包括了整个电磁波全波段，但99.9%以上能量集中在200~10000nm波长范围，最大辐射能量位于480nm处，这正是可见光蓝色光的范围。因此我们看到的天是蓝色的，海水也是蓝的。

而200nm波段属于紫外线范畴，紫外线照多了对人体是有伤害的，但绝大部分紫外线经过大气层时被臭氧层吸收或反射掉了，到地表的极少。但还是有点，因此阳光强烈时晒久了皮肤就会受到伤害。

宇宙中的恒星都在核聚变，不断辐射着伽马射线；还有超新星爆发、大质量致密天体如中子星碰撞，会产生更多的伽马射线，甚至伽马射线暴，因此在太空中伽马射线很多。但这些伽马射线被大气层阻隔，来到地表的极少。

如果在高空或大气层外活动，就很容易受到伽马射线及其他宇宙射线的伤害，因此宇航员们都要做好防护。但伽马射线是很难阻隔的，在太空或外星球活动的宇航员，尽管有飞船和宇航服起到较好防护作用，受到的辐射量还是比地球地表要大很多。

伽马射线穿透力极强，一般建筑物无法屏蔽，只有特制的高密度材料，如铅板等才有一定效果，而且根据伽马射线强度，铅板的厚度也需增加。

在地球上，人们可能受到的伽马射线伤害主要是来自核裂变

重核裂变过程会发生形变，如铀-235核吸收一个中子之后，就形成激发态的铀-236核，随即发生形变，最终断开向反方向飞离，经典库伦能则转化为两个碎片动能，但很快断裂碎片就收缩成球形，形变动能转化为内部激发能，发射出若干中子和γ射线，以平衡退激能量。

还有许多放射性元素衰变过程，就会发出伽马射线，如钴-60

，通过β衰变释放出能量高达315keV的高速电子，衰变成镍60，同时放出两束伽马射线。这些伽马射线如果管控不好，就会伤害人类。

如原子弹爆炸或核电厂泄漏，前苏联切尔诺贝利核电厂爆炸，就导致了严重的放射性污染，威胁着几百万人的健康，辐射直接导致的死亡达7000多人。

利用γ射线造福社会

人类文明是在对大自然规律不断认识中提升的，γ射线本身就是一种自然现象，是元素在聚合或分裂过程释放出来的一种能量，人们认识了γ射线的内在本质，就可以应对和利用它。

任何科学既可用于造福人类，也可用于危害人类，伽马射线也一样，既可以置人于死地，也可以造福人类。前面对γ射线的危害说了很多，现在说说造福人类的问题。

现在比较常见为人类服务的γ射线有工业探伤和健康医疗运用。工业探伤主要利用伽马射线的穿透力，查看工业品内部的结构是否有问题，比如探查钢板的焊缝，30毫米厚度的钢板焊缝可以采用X射线检查，但超过这个厚度就无能为力了，穿透力更强的伽马射线就大显身手了。

γ射线可以探查300毫米厚度的钢板，方法是在被检查物体后面放上感光胶片，采用伽马射线照射被检查物体，伽马射线透过物体会在胶片上感光，从而留下影像，人们通过对这些影像的分析，就能够了解这个物体有没有问题，是否合格。

而医疗中常用的是伽马刀和放射疗法。X射线在医疗中也起着很大作用，但主要用作人体影像检查，可以看到人体内部的状态。而伽马射线能量比X射线要大很多，可以透过人体表面杀死体内病灶，这样就无须留下创伤就可杀死体内癌细胞肿瘤，减少对人体伤害，还可触及到创伤手术能以达到的部位。

工业探伤和用于医疗的放射源，采用的是放射性元素在β衰变时，会释放出伽马射线的原理，一般采用钴-60。钴-60是钴的放射性同位素之一，半衰期为5.27年，它会通过β衰变释放出高达315keV的高速电子，衰变成镍60，在这同时释放出两束γ射线。

黑洞的引力范围是有限的，就像地球有引力范围，只有在这个范围内的物体才会受到地球引力的显著影响一样，黑洞也是如此。
远离黑洞引力场的天体可以稳定运行，例如地球绕太阳公转，不受其他遥远黑洞的影响。甚至在一些双星系统中，恒星能够在黑洞附近和谐共存。

天文学家观测到了一个活跃的特大质量黑洞的吸积盘，让我们能更多了解这些正在狼吞虎咽的宇宙怪物。

插图：一个带吸积盘的黑洞，图表展示了团队的研究结果。

（图片来源：美国国家光学红外天文研究实验室NOIRLab/美国科学基金会NSF/美国大学天文研究协会AURA/P.Marenfeld）

天文学家首次观测到一个物质盘的外缘，这个物质盘环绕在一个正在吞噬的特大质量黑洞周围。

观测结果可以让科学家更好地测量这些宇宙怪物周围的结构，了解黑洞是如何以这些结构为食的，以及这种吞噬如何影响星系的演化，而星系又反过来涵容了这些现象。

正在进食的特大质量黑洞，位于亮得惊人的活动星系核（AGN）的中心。这些黑洞的质量可能比太阳的质量大数百万甚至数十亿倍。一个由气体和尘埃组成的漩涡盘，紧紧环绕在这些黑洞的周围，正一点点被喂给中心的特大质量天体。

这种特大质量黑洞有着难以置信的引力影响，导致吸积盘中的物质温度高达一千万摄氏度。这使它们发出的辐射能覆盖整个电磁光谱——从高能伽马射线和X射线，到可见光、红外光和无线电波。活动星系核也被称为“类星体”，它们非常明亮，以至于它们周围星系的每颗恒星加起来的光芒，在它们面前都显得黯淡无光。

类星体。（图片来源：美国国家航空航天局NASA/欧洲航天局ESA/Joseph Olmsted（美国太空望远镜科学研究所STScI））

然而，即使有这么强大的输出，由于吸积盘相对较小，而且许多吸积盘位于极其遥远的星系，因此很难直接成像。但作为替代，天文学家可以利用吸积盘的全光谱来了解其物理性质，甚至确定其大小。

这是巴西国家空间研究所的研究人员领导的一个团队所采用的技术。Denimara Dias dos Santos和Alberto Rodriguez Ardila研究了遥远的类星体III Zw002的吸积盘，它位于梅西耶106星系（M106）的中心——位于距地球约2400万光年外的猎犬座。

在这个类星体吸积盘的光谱中，该团队首次看到了近红外发射线。这些线条帮助研究人员确定了这个盘状结构的大小，并据此可断定，正在吞噬它的那个特大质量黑洞的质量，是太阳质量的400到500倍。

“这一发现让我们对这类星系宽线区的结构和表现有了宝贵的了解，揭示了活跃星系中特大质量黑洞周围发生的迷人现象。”Rodriguez Ardila在一份声明中说。

吸积盘周围的激发态

当原子吸收能量，并进入物理学家所说的“激发态”时，才会出现该团队研究的那种射线。最终，这些原子必须返回其最低能量状态或“基态”。这种返回基态的过程会释放出光，这些光有着特定元素的原子所特有的波长和能量（因为每个元素都有一组独特的能级）。

这意味着这些光谱发射情况可以帮助识别恒星、行星大气层中存在的元素，在这个案例里，就可以识别黑洞周围吸积盘中的元素。

恒星和其他来源的发射线在光谱中呈现为尖峰，但特大质量黑洞周围的激烈境况，导致吸积盘发射线呈现出不同的外观。

当接近特大质量黑洞的物质被加速到接近光速时，相关的发射线被加宽，并呈现出较浅的波峰。这些发射线来源的区域被称为吸积盘的“宽线区域”。

当吸积盘的一侧向地球运动时，另一侧远离地球。结果是，吸积盘朝向我们旋转的一侧的光波长更短，而远离的一侧的光波长更长。

这类似于在我们地球上，救护车在城市街道上向你驶来时，警报器的声波聚集在一起，产生短波长、高频的声音。当救护车离开时，声波伸展开来，警笛声的频率下降。

这种现象被称为“多普勒频移”。吸积盘发出的光，会产生两个峰值——一个与远离地球的一侧有关，另一个与快速向地球移动的一侧有关。

多普勒频移示意图。

当这些双峰的、加宽的发射线来自吸积盘的内部区域时，它们不能给天文学家提供任何关于吸积盘大小的提示，但如果可以从外缘看到这些线条，它们就能提供线索。

这个天文学家团队在III Zw002宽线区清晰地检测到了的两个近红外双峰轮廓，一个是来自宽线区盘内部的氢谱线，另一个是来自该区域外部边界的氧谱线。

这些射线是在Gemini近红外光谱仪（GNIRS）收集的数据中发现的，该仪器能够同时观测整个近红外光谱，这能让团队捕捉到类星体单一、清晰且保持校准的光谱。

Rodriguez-Ardila说：“之前我们不知道III Zw002有这种双峰分布，但当我们分析数据时，我们非常清楚地看到了双峰。事实上，我们做了好几次数据分析，还以为可能出错了，但每次我们都看到了同样令人激动的结果。”

这有助于限定吸积盘的尺寸，因为团队发现氢线来自距离中心超大质量黑洞16.77光天的地方，而氧线的起源半径则为18.86光天。

天文学家还能够确定宽线区的大小，估计其外径为52.43光天。此外，团队计算出吸积盘的宽线区与地球的夹角为18度。

凤凰座A*，成为迄今宇宙最大黑洞，质量是太阳的1000亿倍！
刷新认知的事情来了，迄今宇宙最大黑洞易主，不再是660亿倍太阳质量的ton618黑洞，而是1000亿倍太阳质量的的凤凰座A*

黑洞，远在85亿光年之外的凤凰星系团中！

跟银河系的中心黑洞——人马座A*一样，凤凰座A*也是一个星系的中心黑洞！但银心黑洞只不过是太阳质量的410万倍，需要24100个人马座A*，才抵得上一个凤凰座A*！

科学家表示，凤凰座A*的引力范围半径可达300万光年，这意味着，即使人类能以光速进行星际旅行，完全跨越凤凰座A*，并摆脱它的引力范围，也需要至少600万年，一个黑洞竟然可以如此之大，简直到了令人发指的程度！

那如此巨大的黑洞，究竟是怎么形成的呢？

首先，基本可以排除是由超大质量恒星死亡后直接坍缩形成，因为迄今宇宙中，体积最大的恒星——史蒂文森2-18，其直径是30亿公里，足以装的下1.3亿亿个地球，可凤凰座A*的直径，却是史蒂文森-2-18的197倍，达到5905亿公里，足以装的下760万个宇宙最大恒星！

既然如此，根据人类目前对黑洞的认知，凤凰座A*的形成方式，只有两种可能：

第一种，凤凰座A*如今的规模，是由多个黑洞合并后形成，并还在通过吞噬星体物质和黑洞，进一步壮大中！

第二种，凤凰座A*是一个非常古老的黑洞，是由远古宇宙星云物质聚拢在一起后，坍缩形成了超大质量黑洞，并通过不断地吞噬星体物质壮大到今天这个地步！

没有证据能够证明当前物理学能够完全应用于黑洞。

牛顿力学是17世纪下半叶出现的。等到18世纪人们通过实验和天文观测结果得到光速之后，就有人基于牛顿力学而预测了一种逃逸速度等于光速的天体，它要么密度正常但半径极大质量远大于太阳，要么密度极大半径极小质量接近或大于太阳。在那个时代，人们不知道光速是速度的上限，这种预测有趣，但不足以吸引其他科学家深入研究。

这种状态在20世纪发生了变化，这源自爱因斯坦所提出的广义相对论。这种理论是一种研究引力的理论，比牛顿万有引力定律更基础，认为能量＆质量的分布会改变它周围的时空状态，而且爱因斯坦提出了一个很复杂的方程（叫做引力场方程），可以根据能量/质量而计算出时空的状态。在它问世后的第二年，史瓦西在第一次世界大战战场上根据这个方程发现了一种比较奇特的空间，它是由极大密度物体所激发的，半径很小，而且物质或辐射一旦进入其中就再也出不来。史瓦西虽然没有说明，但这就是第一种基于广义相对论的黑洞模型。随着时间推移，人们逐渐通过广义相对论而计算出了更多黑洞模型，并根据黑洞的具体特点而将其分类，例如史瓦西黑洞就是一种没有自转（角动量是零）、不带电荷（电荷量是零）而具有质量的黑洞模型，而克尔黑洞则是角动量、电荷量和质量都存在的黑洞。霍金更推进了黑洞研究，将热力学原理与黑洞物理学相结合而催生出黑洞热力学，并得到了霍金辐射等预言。

一代代物理学家孜孜不倦的工作让人们意识到，黑洞与其说是一种天体，不如说它其实是一片特定的时空，它的特点是只进不出，而这种特点是由具有特定状态的物质所带来的。例如在广义相对论看来，史瓦西黑洞除了它的中心点之外其实是一片时间变成空间、空间变成时间且没有物质分布的特殊时空，物质或辐射一旦进入其中就会逐渐来到其中心点而没有反向的运动，但这种推定在中心点那里无效，而整片时空中存在质量，所以质量应该仅限于中心点那里，把那里变成了一个奇点。

之所以研究黑洞要使用广义相对论引力场方程是因为牛顿万有引力定律不适用于黑洞这种强引力场景，而广义相对论可以。然而广义相对论在研究黑洞时同样存在局限性，史瓦西黑洞中心的那个奇点本身就有点怪怪的（不少时候物理学讨厌无穷大，而中心点体积为零却有质量），在深入分析这片时空时还需要使用量子力学，例如霍金辐射就是霍金借助于量子力学得到的预言。这就是说，真正将黑洞研究透彻需要使用量子引力理论，这是当代物理学的空白（最多有点点星光，与宏伟壮观的物理学大厦还差得远）。

按照当前的理论，黑洞会表现出霍金辐射。这是一种让黑洞不再纯黑的辐射，其光度远低于正常恒星，而且随着质量增加而减少（恒星质量越大则光度越大）。由于这种性质，正常黑洞的能量会以极其缓慢的速度降低，但根据狭义相对论质能转换方程，能量降低则质量也低，所以黑洞霍金辐射的功率会越来越大，当其质量足够小的时候就会在一次剧烈的辐射（爆发）中消亡。然而，霍金辐射由于功率太低，甚至超出了当代天文观测的精度极限，至今仍然停留在预测阶段，虽然没有足够有力的反对意见。

这就是说黑洞虽然只进不出但并非没有终点，相比之下太阳这种小个头恒星在耗尽聚变燃料即氢氦元素后会变成白矮星，白矮星会通过黑体辐射的形式而降温，进而降低表面温度，经过褐矮星而变为黑矮星，这种基本冷却了的天体基本是恒星演化的尽头，但没有已知机制会破坏它。

至于宇宙的终局，那就更是量子引力理论的舞台，当代所有推论都仅限于初期或中期探索，与盖棺定论还差得远。在当代物理学/宇宙学中，宇宙宇宙的终局可以分为大坍缩、大撕裂、大冻结三种情况，其中要么宇宙极度挤压为奇点，要么宇宙被暗能量崩解、物质粒子四散而开，要么宇宙膨胀为接近绝对零度的迷茫，其中都没有黑洞的事。由于人们不需要严格使用量子力学就能够得到这三种情况，这种缺陷让它们都仅限于猜测和预言。

黑洞并非宇宙的终极遗骸，从宇宙整体演化规律来看，最终也绝不会只剩下黑洞，各类天体的消亡节奏、黑洞自身的衰变，都会让宇宙走向更彻底的死寂，而非黑洞的“独霸”。先说说黑洞的最终归宿，核心只有一个，霍金辐射主导下的蒸发消亡。这是霍金提出的量子效应，简单说，黑洞并非完全只进不出，会在事件视界边缘持续释放微弱的辐射，缓慢损失质量和能量。这个过程的快慢，和黑洞的质量成反比：超大质量黑洞（比如星系中心的亿倍太阳质量黑洞）蒸发极慢，耗时远超当前宇宙年龄的无数倍，约10¹⁰⁰年量级，恒星级黑洞（几倍到几十倍太阳质量）蒸发稍快，但也需要10⁶⁷年以上，而理论中的微型黑洞，会以极快的速度蒸发，甚至瞬间爆炸。无论质量大小，只要时间足够长，所有黑洞最终都会通过霍金辐射蒸发殆尽，最后可能以一次高能爆炸收尾，化作宇宙中的基本粒子，彻底消失。在黑洞蒸发之前，宇宙里的其他天体早已先一步走向消亡，这也是宇宙不会只剩黑洞的第一层原因。恒星是宇宙中最核心的发光天体，而恒星的形成依赖星际气体和尘埃。随着宇宙持续膨胀，星际物质会被不断稀释，新恒星的形成会在数万亿年后彻底停止。现存的恒星会依次走完生命周期，大质量恒星坍缩成黑洞或中子星，中小质量恒星比如太阳会变成白矮星，最终冷却成不发光的黑矮星，中子星也会慢慢冷却、失去磁场，变成死寂的中子黑星。这个阶段，宇宙的主要天体是黑洞、黑矮星、冷却的中子星，黑洞确实是此时宇宙中最活跃的天体，尽管也毫无辐射，但并非唯一。而更关键的是，黑洞的蒸发节奏，让它无法成为宇宙的最后存在。当宇宙进入只有致密天体的阶段后，黑矮星、冷却中子星这些天体，不会再发生任何核反应或引力坍缩，只是静静漂浮在膨胀的宇宙中，本身不会转化为黑洞，它们的质量未达到黑洞的临界值，且宇宙中已无足够的物质和引力环境，让它们相互碰撞融合成黑洞。也就是说，宇宙中黑洞的总量，在恒星形成停止后就基本固定，不会再增加。接下来，就是所有黑洞按质量从小到大，依次进入霍金辐射的蒸发过程，而黑矮星、冷却中子星这些天体，会比黑洞存在更久，目前理论中，这类致密天体无自发消亡机制，只会随宇宙膨胀持续冷却。即便把时间拉到极致，等所有黑洞都蒸发殆尽，宇宙中还会剩下这些冰冷的致密天体，以及黑洞蒸发产生的、无限稀释的基本粒子。此时的宇宙，没有任何能产生能量的天体，没有光，没有热，只有冰冷的粒子和死寂的致密残骸，漂浮在无限膨胀的空间中，这也是宇宙热寂的终极状态，远比只剩黑洞更彻底的消亡。还有一点，宇宙的加速膨胀，会从根本上切断天体融合成黑洞的可能。暗能量主导的加速膨胀，会让遥远的星系彼此远离，甚至超光速，宇宙中的物质会被分割成一个个孤立的宇宙岛，岛内部的天体碰撞概率也会变得极低。眉有大规模的物质碰撞和融合，就不会有新的黑洞形成，现存黑洞的数量只会减少，不会增多，自然无法成为宇宙的唯一。所以，黑洞的归宿是霍金辐射下的彻底蒸发，而宇宙的演化，只会让黑洞成为中间阶段的主要天体，而非最终形态，最终的宇宙，是连黑洞都消失后的、冰冷空矿的热寂状态。

小灰人文章说空间内还可以包含空间；黑洞是内部空间/宇宙，

心灵漂浮于空间中，想要固定就创造星系，而星球靠引力固定；这样心灵就能在星球土地上有落脚的地方

已知只占很小一部分， 科技目前观测宇宙尺寸有限，还没未观测到的宇宙范围都是未知，并且观测到的是130亿年前光传播过来的样子，具体那里真实情况是如何，人类无法到达，所以也不知道。
人类所在认知的这已知世界，但宇宙里有很多对于人类来说属于未知……