從恒星到黑洞

王永寬

1767年，丹麥天文學(xué)家羅麥?zhǔn)状巫C明了光速是有限的這一事實，為100多年后預(yù)言黑洞的存在創(chuàng)造了條件。否則，人們是無法理解引力場將對光粒子產(chǎn)生影響這一效應(yīng)的。

一般認(rèn)為，英國的約翰·米歇爾是最早對黑洞的存在做出預(yù)言的人。他于1783年發(fā)表文章指出，一個有足夠大質(zhì)量和密度的恒星，同時也擁有強(qiáng)大的引力場，甚至從恒星表面發(fā)出的光線也會被這個引力場吸引回來。15年后，法國天文學(xué)家拉普拉斯也獨立地提出了類似的觀點：“一個密度如地球，而直徑為250個太陽的發(fā)光恒星，由于引力作用，將不允許它的任何光線到達(dá)我們這兒。由于這個原因，宇宙中最大的發(fā)光天體也許不會被我們看見?！?/p>

其實，理解這種現(xiàn)象并不困難。我們從地面向上拋出一個石頭，由于重力的作用，它最終會落下來。然而，如果這塊石頭的初速度達(dá)到或超過了地球的脫離速度(每秒11.2千米)， 就會擺脫地球的引力進(jìn)入行星空間成為一個人造天體。這一速度來自公式

V=，其中，G是引力常數(shù)，為6.672 59×10－11m3／(kg·s2)，M是天體的質(zhì)量，R是天體的半徑。太陽的質(zhì)量為1.989×1033克，半徑為6.962×108米，根據(jù)這一公式可以計算出太陽表面的脫離速度大概是每秒617千米。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速C，所以光線能輕而易舉地克服太陽的引力場，我們也因而能夠看到燦爛的陽光。如果當(dāng)脫離速度V等于光速C時，上一公式就變成：

Rg=2GM／C2。Rg被稱為天體的引力半徑，也就是說一個質(zhì)量為M的天體，半徑如果小于Rg，它的脫離速度就大于光速，因此天體發(fā)出的光就不會逃出它的引力場，那么這個天體就成了“黑”的。

形成黑洞最普通的方式是恒星的死亡。宇宙中不可抗拒的客觀規(guī)律就是有生必有死，恒星也不例外。然而，并不像有人認(rèn)為的那樣，所有的恒星都將演化成為黑洞。事實上，恒星是否會坍縮成為黑洞，與其自身的質(zhì)量有著很大的關(guān)系。

以太陽為例。太陽是一顆極其普通的恒星，已經(jīng)存在了50億年左右，可以說正處在它的青壯年時期，也就是“赫羅圖”中的主星序階段。在這一階段，它的能量主要來自中心區(qū)域發(fā)生的氫聚變熱核反應(yīng)——四個氫原子聚合成一個氦原子。而一個氦原子的質(zhì)量小于四個氫原子的質(zhì)量之和，其余的質(zhì)量則按照愛因斯坦著名的質(zhì)能關(guān)系式E=cm2轉(zhuǎn)換成了能量。根據(jù)公式，僅1克氫聚變成為氦就會釋放出大約6×1018爾格的能量。因此，太陽在這種反應(yīng)過程中釋放出了巨大的能量，它們能夠與自身的引力達(dá)到平衡，由此維持著一個相對穩(wěn)定得多的狀態(tài)，這也是生命出現(xiàn)和發(fā)展的基礎(chǔ)。

直到五六十億年后，中心區(qū)域的氫燃料消耗殆盡，熱核反應(yīng)停止。那時，由于輻射壓力的減弱，太陽內(nèi)部的中心核在引力作用下開始收縮。在達(dá)到極高的壓力和溫度時，核心的氦開始了聚變成碳的反應(yīng)，同時引燃外部的氫殼進(jìn)行燃燒，從而產(chǎn)生了更強(qiáng)大的能量。太陽的外層大氣在新的輻射壓力的作用下向外膨脹，最終將到達(dá)地球現(xiàn)在的公轉(zhuǎn)軌道附近(由于太陽質(zhì)量的減少，那時的地球軌道已經(jīng)向外延伸了)。盡管地球的表面將被熔化得面目全非，但終究可以幸免于難，而水星和金星這兩顆內(nèi)行星卻沒有這么幸運：它們將被不斷膨脹的太陽吞沒并被氣化掉。這就是太陽的衰老期，即紅巨星階段。

在距今大約70億年的時候，氦燃料也消耗盡了，太陽核心將再次收縮，最后依靠電子間的排斥力(泡利不相容原理)與引力達(dá)到平衡。此時，太陽龐大的外殼已經(jīng)脫落，形成行星狀星云，其核心收縮成大小與一顆行星差不多，而密度達(dá)到每立方厘米幾十噸的白矮星。這時的太陽內(nèi)部已經(jīng)沒有強(qiáng)作用的熱核反應(yīng)了，只是依靠剩余的燃料發(fā)光。因為其質(zhì)量已經(jīng)不到現(xiàn)在的一半，所以地球與它的距離也比現(xiàn)在遠(yuǎn)得多了。這顆白矮星的視直徑只有9角秒，比今天從地球上看金星或者木星還要小，亮度也降到現(xiàn)在的1％左右。如此下去，又經(jīng)過幾十億年，隨著太陽內(nèi)部殘余的熱能都消耗殆盡，它的亮度將越來越暗，最終變成看不見的黑矮星，結(jié)束了它轟轟烈烈、功不可沒的一生。

宇宙中還存在著許多質(zhì)量比太陽要大得多的恒星，以至于有些恒星在演化成白矮星的過程中，電子間的排斥力無法對抗自身強(qiáng)大的引力。在這種情況下會出現(xiàn)什么后果呢?

1928年，印度研究生薩拉瑪尼安·強(qiáng)德拉塞卡在去英國的途中計算出，如果恒星的質(zhì)量超過太陽質(zhì)量的1.4倍，白矮星狀態(tài)將不會形成。前蘇聯(lián)的列夫·蘭道在1930年也獨立做出了類似的計算。這類恒星的核心在進(jìn)一步坍縮時，釋放出的大量的引力能會以中微子的形式加熱恒星外殼，并使之發(fā)生強(qiáng)烈的爆炸，這是目前已知的在恒星世界中最激烈的爆發(fā)現(xiàn)象——超新星爆發(fā)。而恒星核將處于穩(wěn)定狀態(tài)，也就是在中子和質(zhì)子之間的排斥力的支持下穩(wěn)定下來，這就是中子星。位于金牛座ζ星西北處的蟹狀星云，就是一個超新星爆發(fā)的遺跡。這次爆發(fā)在公元1054年被宋代的天文官觀測到并記錄了下來，這也是世界上最早的有關(guān)超新星爆發(fā)的記錄。中子星的直徑更小，只有幾十千米，但它的密度卻驚人得高，每立方厘米幾千萬噸，這在當(dāng)時確實有些令人難以置信。

1967年8月，英國劍橋大學(xué)的一位女研究生約瑟林·貝爾發(fā)現(xiàn)了來自狐貍座的一種周期穩(wěn)定的射電脈沖。她的導(dǎo)師安東尼·赫維斯卻不相信這會是地外現(xiàn)象，只認(rèn)為是來自地球大氣層內(nèi)的一種干擾。在隨后的幾個月里，脈沖信號被貝爾多次記錄下來，并且證實發(fā)出信號的天體距離太陽系非常遙遠(yuǎn)。在這種情況下，赫維斯才開始重視貝爾的發(fā)現(xiàn)。起初，他們以為這是另一種智慧生命發(fā)來的聯(lián)系信號，他們把這些“外星生物”稱為“LGM”，即“小綠人”。到1968年初，通過觀測和對以前記錄的檢查，又發(fā)現(xiàn)了三個類似的射電源。難道宇宙中竟然有幾個外星文明如此巧合地用同一種方式與我們進(jìn)行聯(lián)絡(luò)嗎？最后，事情變得清楚了，他們意識到這是一種從來沒有被人發(fā)現(xiàn)過的新型天體——脈沖星。同年，美國天文學(xué)家戈爾德和其他幾位天體物理學(xué)家得出結(jié)論，脈沖星是一種磁場很強(qiáng)、快速自轉(zhuǎn)的中子星。這是證明中子星存在的最早的證據(jù)，同時也使那些相信黑洞存在的人增加了信心。畢竟，像中子星這樣緊密的天體都可以形成，那么黑洞的存在也在情理之中了。

與白矮星類似，中子星的形成也有一個限制，它被稱為藍(lán)道—奧本海默—沃爾科夫極限，即2.5倍太陽質(zhì)量。超過這一極限的恒星很多，有些已經(jīng)達(dá)到了太陽質(zhì)量的100倍。這樣的恒星在拋出一部分物質(zhì)后，其剩余的質(zhì)量仍然很大，以至于沒有任何力量可以阻止一個災(zāi)難性結(jié)果的發(fā)生：它會一直坍縮下去。當(dāng)這顆恒星的半徑收縮到小于引力半徑Rg時，對于遠(yuǎn)處的觀察者來說，它將從視線中消失，形成了一個黑洞。

雖然黑洞不會發(fā)出光線(如果考慮到量子效應(yīng)，黑洞并不是黑的，它也像熱體一樣發(fā)出輻射)，人們?nèi)匀荒軌蛲ㄟ^間接的測量手段確定它們的存在。如果在離黑洞足夠近的距離內(nèi)有一顆恒星，它們就會構(gòu)成一個雙星系統(tǒng)，彼此圍繞著一個共同的引力中心轉(zhuǎn)動。強(qiáng)大的黑洞引力場會將周圍的氣體、塵埃以及可見伴星的表面物質(zhì)吸引過去，以極高的速度按螺旋軌道落向黑洞。這個過程產(chǎn)生的高溫達(dá)到了幾百萬攝氏度，并且會發(fā)射出強(qiáng)大的X射線，這就形成了X射線和紅外線源。天文學(xué)家觀測到了許多這樣的系統(tǒng)，例如，天鵝X－1和大麥哲倫星云X－3就具有這些特征。從可見星的軌道變化可以計算出不可見伴星的質(zhì)量，結(jié)果顯示，它們的不可見伴星的質(zhì)量太大了，看起來只能是黑洞。而A0620不同，它不僅有一顆伴星V616，而且自身被一個可觀測到的物質(zhì)圓盤包圍著。通過對來自吸積盤和伴星的譜線測量，確定了吸積盤中心的天體質(zhì)量已經(jīng)超過太陽3．8倍，所以A0620也是一個很好的黑洞候選者。

從理論上說，黑洞的類型按照質(zhì)量可以分為三種。一種是在宇宙開端時的高溫、高壓條件下形成的質(zhì)量不大的“太初黑洞”。它們的半徑相當(dāng)于一個中子或質(zhì)子，而質(zhì)量大約近10億噸。第二種是上面所說的由恒星坍縮形成的黑洞，也被稱為“坍縮星”。因為在宇宙漫長的歷史中已經(jīng)有無數(shù)的大質(zhì)量恒星耗盡了燃料，所以這種黑洞的數(shù)量應(yīng)該是非常多的。還有一種是巨型黑洞，它的質(zhì)量大得驚人，相當(dāng)于太陽的幾十萬倍到上億倍，目前還無法解釋它的形成原理，但許多科學(xué)家都確信這種黑洞存在于一些星系和類星體的中心。有些證據(jù)表明，在銀河系的中心就很可能有一個質(zhì)量大約是太陽幾十萬倍的巨型黑洞。最近，天文學(xué)家在M82星系中又發(fā)現(xiàn)一個據(jù)說是新型黑洞的天體，它的X射線亮度比我們星系中任何一個X射線源都要亮100倍，距離地球1000萬光年。

浩瀚宇宙，無盡蒼穹，當(dāng)我們仰望星空的時候，最容易想到的是自身的渺小和脆弱。從脈沖星聯(lián)想到小綠人，從黑洞又聯(lián)想到時間旅行，人類的視線和想象力一同在飛速地延伸，而視界之外的那些未知事物還在等待著我們?nèi)ヌ剿?、去了解?/p>