■ 陳壯叔
地球像一只藍色的巨眼,通過炫目的光芒和塵霧正盯著銀河中心。在那閃爍的銀心世界里,不是巨大的太陽,也不是碰撞著的云層或物質(zhì)—反物質(zhì)湮滅的伽馬閃光。在那中心處,在那些物質(zhì)的星云之中,隱藏著一塊陰影??茖W家打算抓住這一離我們3萬光年的、不清楚的怪物。
我們?nèi)粗倪@個陰影,它正是一個巨大的黑洞。黑洞不是看不見的嗎?怎么會有陰影呢?
在銀心的天域中,引力是至尊的統(tǒng)治者,它抓住了一切,連光線都不例外,它把空間彎曲到破裂之點。黑洞也許是科學家最難以置信的預言。即使如此,科學家還是畫出了它的理論圖景,并指出了許多像是黑洞的天體。可是,卻沒有一個人確切地看到過黑洞。
所有這些情況,或許有望得到改變。天文學家正把全球的射電望遠鏡連成一個網(wǎng)絡,使之成為一個分辨率極高的探測設備。他們將把這只射電巨眼轉(zhuǎn)向我們星系的中心,那片天域被稱為人馬座A*,相信那里就是巨型黑洞所在之處。
麻省理工學院海斯坦克天文臺的杜利曼希望,不久將觀察到該洞的暗影,進而關注落入物質(zhì),就此可推測黑洞周圍的被扭曲時空。這將告訴我們,該黑洞是如何生成和成長的。
這些觀測也將是對愛因斯坦廣義相對論的嚴格驗證,黑洞的存在正是它的預言。那么是什么原因使我們相信,銀心中潛伏著一個巨物呢?這是因為人們看到,極強的引力在拉動銀心近旁的星體和云層的運動。估計中心巨物的質(zhì)量高達450萬個太陽,可是卻塞入僅太陽系內(nèi)層般大小的區(qū)域——能把物質(zhì)擠壓成如此緊密的,非巨型黑洞莫屬。
科學界認為,極大部分的大星系中心,皆有一個超級大黑洞。在那種所謂活動星系中,大量的氣體旋入黑洞,形成一個熾熱的物質(zhì)盤,即吸積盤。它的亮度往往使其周圍幾十億顆星球的光亮相形見絀。它將放射全波段的電磁輻射,從射電波到X射線。
我們銀河系的這個巨怪,倒不是大量“進食”的,它僅靠近旁星球流出的微薄氣體而存活。這些氣體向洞中落入,也同樣升溫發(fā)光,但要比活動星系所發(fā)的光暗弱得多。
當然,黑洞本身并不輻射,甚至連光線都能吞沒,那么我們?nèi)绾文芸吹剿鼈兡??前面已談到,黑洞周圍形成一個吸積盤,盤中的氣體急速地流向中心的黑洞,它們因高溫而發(fā)光,這些光也被黑洞俘去,故吸積盤的內(nèi)層是看不到的。射電眼看到的只是一個暗影,它襯托在閃爍的熾熱氣體——吸積盤外層——之上。
要看到這個陰影并非易事。它既沒有明顯的邊界,而且還要受到來自黑洞前面的氣體所發(fā)出的光和其他輻射的干擾。按相對論,一個450萬個太陽質(zhì)量的黑洞,其跨度為2700萬千米。實際上,黑洞是一個極微小的點,這里所說的跨度是指黑洞視界的尺度。所謂視界,是黑洞引力占絕對統(tǒng)治的區(qū)域,任何物質(zhì)(包括光)一旦進入視界,就永無逃出的機會。視界極大的引力將彎曲近旁的光線,看上去其面積好像大了2倍。即使如此,從地球看去也只是一個黑點,其視角只有50微弧秒。這相當于我們?nèi)ビ^察放在月球上的一個籃球。
一般的望遠鏡不可能看到如此小的一個黑點。但杜利曼采用了一項新的觀測技術,稱為天文甚長基線干涉儀(VLB1),這一技術可以把散布在全球各處的觀測數(shù)據(jù)綜合起來重建圖像。
以前VLB1對銀心的觀測太模糊了,不但沒能看到黑洞的影子,更糟的是,盤旋在黑洞周圍的氣體對許多波長的電磁波是不透明的,這無異于給暗影蓋了一塊幕布。幸運的是,由于觀測技術的進展,這個問題已經(jīng)不再是障礙了。
若射電望遠鏡在1毫米波長(或更短)上工作,就能穿過星際霧和內(nèi)層氣體的覆蓋。此外,若一臺射電望遠鏡配有多個天線盤,就理論而言,它們彼此相距越大,其圖像越清晰;若相隔幾千千米,則其分辨率足可看清這個暗影。
早在2007年4月,杜利曼的小組就在VLB1的甚短波長(1.3毫米)上工作,但結果并不理想。他們采集到了來自人馬座A*的輻射,但信息不夠多,無法取得較好的圖像,難以做出更深層次的分析。即使如此,這些早先的觀測都具有一個很明顯的特征:人馬座A*確實是一個黑洞。根據(jù)伯勞德利克(加拿大學者)的看法,這些結果指出,他們正是看到了視界,那是黑洞的確切特征。
視界是一個無實體的界限,在它里面沒有任何東西能逃脫黑洞引力的抓捕。它們被無聲無息地吞沒,沒有任何放射。有些理論家說,銀心中可能不是一個黑洞,而是所謂的玻色子星,它們有實質(zhì)的表面而非視界,由于大量氣體落入表面,勢必成為一顆體積最小的極熱星。
伯勞德利克分析了杜利曼的觀測結果。他認為,若人馬座A*有表面的話,它將灼熱到穩(wěn)定地輻射紅外光;但事實上,人們并未觀測到這類白熱光。故人們得出結論說,我們確實看到人馬座A*,它披著視界的斗篷,把其內(nèi)部的任何事物和宇宙的其余部分隔開。
杜利曼并不滿足于上述這些觀測。他說,那個模糊的黑點只是一個開始。他將把觀測移向更短的波長——0.87毫米。屆時,將有更多的觀測結果匯集到一起,以取得一個有關黑洞更具有揭示性的圖像。
巨大的微波眼建在智利的沙漠山上,大型的毫米/亞毫米陣列(ALMA)正在建造中。它具有66個天線盤,將于2012年投入運行。杜利曼說,對我們的觀測而言,ALMA有如如虎添翼。它跟全球其他的觀測設備協(xié)作,應能提供更清晰的人馬座A*的圖像,甚至揭示出活動星系M87中的更大黑洞。
杜利曼說:“最令我興奮的是,我們將能觀測到瞬間的變化。在許多波長上的觀測表明,盤旋在人馬座A*周圍的氣體有時會突然爆發(fā)出射電暴?!倍爬硎?,他們還將關注環(huán)繞著的耀斑運動,以及它們實時被視界吞沒的現(xiàn)象。
他們的這些觀測,有助于知悉這個黑洞的自轉(zhuǎn)。相對論稱,一個自轉(zhuǎn)黑洞將在空間結構中形成一個旋渦,接近洞(實際上是視界)的物質(zhì)熱點將被這個旋渦卷入。所以我們由此可探索到人馬座A*的自轉(zhuǎn)速度,進而它將帶給我們有關此黑洞形成的線索,因為它的自轉(zhuǎn)依賴于它過去所消耗的東西。
如此巨大質(zhì)量的黑洞是如何形成的?理論學家提出了幾種不同的人馬座A*的成長模式。一種是靠吞食銀河系氣體,這些氣體分享著整個星系的旋轉(zhuǎn),飛快地奔向視界,在其周圍形成一個旋轉(zhuǎn)著的吸積盤;盤中的氣體越來越快地奔向黑洞,這一情況有如浴缸中的水流向泄水孔;當氣體最終被吞沒,其旋轉(zhuǎn)量將加在黑洞上,那么人馬座A*的自轉(zhuǎn)可能達到相對論所允許的最大值,其視界的轉(zhuǎn)速可接近光速。另一種模式,若人馬座A*的成長是通過氣體中的“小吃”(那是來自進入隨遇性軌道近旁的氣體群,由于它們的運動軌道是隨遇性的,故它們的旋轉(zhuǎn)量大多被相互抵消),這樣人馬座A*的自轉(zhuǎn)速度可能較低;另一種是碰撞型,當一個較小星系跟銀河系相向碰撞而合并時,由于每個星系都有自己的中心黑洞,那么當它跟人馬座A*合二為一時,往往具有適中的自轉(zhuǎn)。
廣義相對論在愛因斯坦提出近一個世紀以來,一直是我們最好的引力理論,跟觀測精確匹配。但是這一理論從未在超強引力場,諸如在視界近旁做過檢驗,據(jù)相對論做出的預言都是比較極端的。
若杜利曼所做的觀測看到某些異常,這可能意味著相對論在超強引力場中將完全失效。而銀河中心的巨怪,其陰影比我們想象得還要陰暗。
不過,我們的巨型黑洞——人馬座A*雖很難看清,卻很開朗。若它像活動星系的中心黑洞那樣處于爆發(fā)狀態(tài)(指視界周圍物質(zhì)),那么地球上安能出現(xiàn)生命?我們這個超級黑洞較溫和,但它也會爆發(fā),若在30 000年前去看,其亮度是現(xiàn)在的1億倍。莫斯科空間研究院的萊姆尼斯塞夫說,這是因為鐵克萊天文衛(wèi)星看到了人馬座B2氫云(離人馬座A*350光年)輻射出的高能X射線。唯一的解釋是,30 000年前,人馬座A*爆發(fā)出甚強輻射,經(jīng)過350年到達B2云層,激發(fā)后者產(chǎn)生X射線。
要感謝人馬座A*的溫和性格,否則就不會有我們。這也許是宇宙的必然,但它出現(xiàn)在宇宙2000億個星系中的銀河系之中,可能是個偶然。