黑洞是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體”。——廣義相對論

今天我們說下關于黑洞的問題，不知道你有沒有想過，一個黑洞是什么形狀的，或者是什么樣子的？關于黑洞的樣子，我們更多是在網上看到的二維圖像，就像下圖那樣！但是如果我們從黑洞的前面看、后面看，以及側面看，從所有的角度看，它都是一個樣嗎？

從提出黑洞到發現確認

黑洞是宇宙中的一個奇異天體，最初是人們根據引力的作用方式，也就是天體的逃逸速度提出來的。早在1784年（這個時期的中國是乾隆49年），英國的約翰·米歇爾就意識到，如果有一個體積足夠小、質量足夠高的物體，那么它的逃逸速度（從其表面逃逸并進入軌道甚至更遠所需的速度）將會超過光速。正如我們現在所知，沒有任何物體的運動速度能夠超過真空中的光速，這就意味著這樣的物體將是一個吞噬任何東西的“陷阱”，只要一個物體包括光在內足夠靠近這樣的天體，就會被永遠的吞噬。

自從人們提出這些物體在理論上可能存在以來，我們在宇宙中也發現了只有在黑洞存在的情況下才能解釋的現象。

銀河系中心的超大質量黑洞就是一個很好的例子。通過觀察銀河系中心這些大質量恒星的運動，我們發現它們都繞著通過的質心運行，并且這個中心天體并不發光。唯一符合條件的就是黑洞。

因此，黑洞是一個完全由引力控制的空間區域。引力在各個方向上的作用都是一樣的，這意味著黑洞會把所有方向上的東西都拉向一個共同的中心點。我們可以通過觀察太陽得到一些啟發，太陽基本上就是一團氣體，被萬有引力不可抗拒地壓縮成一個幾乎完美的球體。

因此黑洞也應該是個球體，甚至是宇宙中最完美的球形物體之一。緊隨其后的是中子星，它們的密度比黑洞略低，雖然光會被中子星嚴重扭曲，但仍然能夠逃逸中子星的引力場。

一顆孤立的黑洞是什么樣的？

黑洞是球體，原則上就沒有所謂的上、下或側面。如果一個黑洞在宇宙中是完全孤立的（也就是說在黑洞的周圍沒有任何物質、天體，不會發生吸積并產生吸積盤和物質噴流），無論我們朝哪個方向看，看到的黑洞都像一個漆黑的圓環，并且周圍環繞著一圈光，而這圈光是來自黑洞后面的發光天體所發出的光線。

當然，背景光線一旦進入黑洞，就再也無法逃離，但周圍的光線在視界面處會走一條彎曲的路徑繞過黑洞，就像想上下圖中看到的透鏡現象。在這種情況下（如果黑洞是孤立的）我們能看到的唯一變化就是背景光線的變化。黑洞后面的發光天體越多，光環就會越亮。如果我們碰巧看到的黑洞，在它的后面沒有任何東西，那么這個光環就會變得更暗，或者消失。

存在伴星的黑洞是什么樣的？

宇宙中的黑洞很少是完全孤立的。如果它們生前是雙星系統的一部分，其中一顆恒星比另一顆質量更大，那么在另一顆恒星燃燒完它的燃料之前，較大的那顆恒星就會坍縮形成黑洞。雙星系統的黑洞會不斷地掠奪另一顆恒星表面的氣體，把這些氣體拉向自己。加之黑洞本身在旋轉，因為形成黑洞地恒星肯定在自轉，根據角動量守恒，恒星坍縮成黑洞以后，由于體積的積聚縮小，黑洞旋轉地速度會更快，那么另外一顆恒星的氣體被黑洞吸積以后，會在黑洞的視界面外形成了一個高速旋轉地物質圓盤，稱為吸積盤。

現在，由于吸積盤的存在，我們就有了一個觀察黑洞的方向。在上圖中如果我們從上面往下看，就會看到一個黑洞，加上環繞黑洞的發光的氣體盤。或者很有可能會直接看到一股過熱的物質從黑洞中心噴射而出，我們稱之為物質噴流。

黑洞周圍發光的吸積盤。黑洞的部分被吸積盤所遮擋。

雙黑洞環繞看起來是什么樣的?

在另外兩種情況下，我們會在黑洞周圍看到一些奇怪的現象，這會讓黑洞看起來格外的怪異。第一種是當兩個黑洞相互環繞時，光在這兩種極端現象周圍發生扭曲的方式非常不可思議，如果此時兩顆黑洞的排列正好與我們的視線成一條直線，那么我們會在前面這顆黑洞的旁邊看到后面那顆黑洞的“投影”，我們稱之為“黑洞眉毛”。

上圖顯示了如果兩個黑洞相鄰，光會沿著上圖中的線發生彎曲。右邊的（也是后面的）黑洞以一個半月形的“眉毛”在另一個黑洞旁邊出現。

如果兩個黑洞的軌道足夠近，我們不僅可以得到上圖中的視覺效果，而且最終兩個黑洞會在環繞的過程中逐漸失去軌道能量合并在一起。在融合的那一刻，黑洞就會變成一個單一的物體。但新形成的黑洞一開始并不是一個圓形區域。

當兩個黑洞合并成一個物體的瞬間，雖然它們相互連接，但黑洞不再保持球形。

新形成的更大質量的黑洞會隨著時間的推移逐漸變成完美的球形，但必須經歷一個相當長的過程，即所謂的“鈴宕”過程（ring-down），才能衰變回一個完美的球形物體。其實這跟敲大鐘一樣，大鐘被敲擊以后在很長的一段時間內仍在振動，聲音會從高到低緩慢的降低。黑洞的合并也是如此，在兩個黑洞相撞以后，它們會持續振蕩很長一段時間，以引力波的形式向太空逐漸輻射能量，直到它們回到開始時穩定的球形狀態，也是最低的能量狀態。看下圖：

總結

綜上所述：如果我們在宇宙中發現一個孤立的黑洞漂浮在黑暗的空間中，它看起來就像一個完美的黑色球體，周圍可能會環繞著一圈背景光線。如果我們發現一顆黑洞附近有一顆伴星，那么這個黑洞會被一個熾熱的氣體圓盤遮住一部分，還會看到黑洞中心發出的物質噴流。如果我們發現兩個黑洞相互環繞，就會看到上圖中的“黑洞眉毛”和振蕩的空間 。這就是我們所知黑洞的樣子！