地球离黑洞最近的一颗黑洞是什么（连光也逃脱不了黑洞的引力）

地球离黑洞最近的一颗黑洞是什么（连光也逃脱不了黑洞的引力）当一个炮弹在地球上一定高度以一个水平速度发射时，其运动轨迹是一个半幅的抛物线，为什么会形成一个抛物线呢？那时因为炮弹此时受到了地球引力作用会使炮弹有个向下的速度分量。牛顿的地球逃逸速度公式1687年，牛顿发表了他一生之中最为重要的科学巨著《自然哲学与数学原理》，这本书中的大部分内容大家应该都很熟悉，因为学生时代物理学的大部分内容都来自于这本书。其中牛顿提出了著名的万有引力定律，由定律可知，两个物体之间存在着相互作用的力，这个力与两个物体的质量成正比，与两者之间的距离平方成反比。万有引力定律由万有引力定律，牛顿继而提出了物质的逃逸速度公式，我们在中学的物理课本上经过简单的推导就可以得到。其实，牛顿的逃逸速度是由其计算炮弹轨迹时发现的。

2019年4月，经过多个国家的科学家的集体努力，人类终于拍到了历史上历史上第一张黑洞照片，我们也有幸成为第一批看到黑洞的人，这个所拍摄的黑洞是来自距我们有5500万光年之遥的近邻巨椭圆星系M87的中心黑洞。从这张照片上可以看出，黑洞似乎中心是黑洞而周围是一圈明亮的光环，有的人不禁疑问，既然黑洞连光都可以吸收，为什么其周围还有一层光环呢？今天的内容带大家了解一下。

人类首张黑洞照片

物质逃离地球的逃逸速度

在引入黑洞的概念之前，我们先来了解一下物质的逃逸。就拿地球与地球上的物质举例，如果这个物质想要逃离地球，那么它必须具备一定的速度才可以。在几百年前的17世纪，物理学第一人牛顿曾经给出答案。

牛顿

1687年，牛顿发表了他一生之中最为重要的科学巨著《自然哲学与数学原理》，这本书中的大部分内容大家应该都很熟悉，因为学生时代物理学的大部分内容都来自于这本书。其中牛顿提出了著名的万有引力定律，由定律可知，两个物体之间存在着相互作用的力，这个力与两个物体的质量成正比，与两者之间的距离平方成反比。

万有引力定律

由万有引力定律，牛顿继而提出了物质的逃逸速度公式，我们在中学的物理课本上经过简单的推导就可以得到。其实，牛顿的逃逸速度是由其计算炮弹轨迹时发现的。

牛顿的地球逃逸速度公式

当一个炮弹在地球上一定高度以一个水平速度发射时，其运动轨迹是一个半幅的抛物线，为什么会形成一个抛物线呢？那时因为炮弹此时受到了地球引力作用会使炮弹有个向下的速度分量。

牛顿大炮插图《自然哲学数学原理》

很显然，如果我们放大尺度，地球是一个十分接近标准圆球的球体，其重力始终指向地心，如果炮弹的水平速度足够快的话，地球引力作用造成的速度分量等同于地球球弧向下的趋势，于是，炮弹就永远的环绕地面飞行了，地球同步卫星就是利用这个原理，我们将一些参数带入牛顿的速度逃逸公式可得出这个速度为7.9km/s 物理学上称之为第一宇宙速度。

6km/s时发射的炮弹

如果炮弹的速度更大，那就可能摆脱地球的引力作用，同样通过牛顿的速度逃逸公式可知，这个速度为11.2km/s。除此之外，如果物质的速度越来越快，那么它将逃离太阳系，也可以计算出这个速度，如此等等，这里就不在赘述，感兴趣的读者可以自行查阅。

7.9km/s的炮弹

是否存在连光也无法逃脱的天体？

在牛顿发表《自然哲学数学原理》约100之后，1783年，英国自然哲学家约翰米歇尔在给亨利卡文迪许的信中提出了这样的想法：如果一个质量等同于太阳的天体，其半径只有3公里的话，那么这个天体是看不见的，因为光无法从它的表面逃离。

1796年，法国物理学家拉普拉斯预言，一个质量超过250个太阳，而直径只有地球大小的发光恒星，在其重力的作用下，将不允许任何光离开它。

拉普拉斯

在以牛顿力学为最前沿科学的时代，以上两位科学家提出了这类天体的构想是超乎常人接受范围的，因此此后相当长的一段时间并未引起广泛研究，是否曾在这类天体还不得而知。

引力的本质

直到20世纪初，爱因斯坦相继提出狭义相对论与广义相对论。1905年提出的狭义相对论统一了时间与空间，认为时间与空间是一个整体，给出了惯性系下的物质运动规律；1915年，爱因斯坦为了将狭义相对论拓展到非惯性系，发表了他一生之中理论成就的巅峰之作-广义相对论。在广义相对论中爱因斯坦阐述了引力的本质是质量造成的时空弯曲并提出了著名的引力场方程。

爱因斯坦引力场方程

1916年，正在第一次世界大战战场的史瓦西利用业余时间竟然在引力场方程提出后的短短一年之内给出了方程的解；这个解叫做广义相对论的史瓦西解。这个解告诉我们广义相对论预测的一个天体—黑洞。黑洞这个天体的存在被理论验证，直到2019年才看到黑洞的真实面目。

史瓦西半径

既然黑洞使光无法逃脱？那么它周围明亮的光从何而来？

其实不然，大多数黑洞看起来并不是我们认为的这样，事实上它是宇宙中明亮的天体，比大多数恒星都要明亮，原因在于黑洞的两端会喷射出强烈的X射线和等离子体气流。那么问题来了，是什么原因造成了黑洞两端会喷射x射线以及等离子体气流呢？x射线也是光的一种，为什么没有被黑洞吸收呢？

黑洞吸引靠近的恒星

首先，需要明确的是，x射线和等离子气体流并不是黑洞本身辐射出的，而是在黑洞外围的吸积盘所辐射出的。

吸积盘的形成

黑洞吸积盘是由围绕在黑洞周围做圆周运动的气体或者宇宙尘埃组成的。黑洞为什么会形成吸积盘呢？原因是黑洞吃掉天体的过程造成的，黑洞吸收天体，例如一个大质量的恒星，它并不是直接整个吞下，恒星在靠近黑洞的时候会沿着黑洞做圆周运动，运动的同时恒星上的气体（主要是氢气或者氦气）由于黑洞潮汐力的作用使得靠近黑洞的一端被黑洞吸收。

光子或其他粒子失去角动量

由于气体具备了一定的角动量，它们不会立刻朝着黑洞的质心飞去，而是围绕着黑洞高速旋转，此时，根据角动量守恒，气体并不会向黑洞内掉落，但是由于吸积盘内的气体越来越多，密度越来越大，气体分子会发生剧烈的碰撞，必定会使气体分子的角动量发生转移，吸积盘内存的气体分子角动量损失较大而向黑洞中心靠近。也因为气体分子的碰撞而使温度急剧升并在黑洞吸积盘法向上伴随着强烈的x射线辐射。

总结

在黑洞的事件视界范围内的光子是无法逃离的，所以我们看不到黑洞里到底是什么或者到底发生了什么。对于黑洞事件视界之外，虽然它不能吞噬光子，但是可以捕获光子，改变光子的运动方向，形成高温高电离物质的吸积盘。

旋转的吸积盘

之所以可以拍到黑洞的照片正是黑洞吞噬其他物质过程中形成吸积盘所造成的效应，具体为这个黑洞在光子捕获半径处（光子捕获半径稍大于“事件视界”半径）所呈现的光圈和内部“事件视界”及引力透镜下产生的阴影，以及快速旋转和相对论波束效应形成的看起来像月牙形状的图像。

引力透镜效应

黑洞是一个恐怖的天体，简单的看它只有质量，半径，自旋，带电状况几种性质，和极小的电子类似。黑洞与电子，一个是宇宙中的极大，一个是宇宙中的极小，他们竟然如此的接近的性质。但是由于黑洞距离人类实属遥远，人类还无法完全了解黑洞，需要更多的科学家为之努力。