“身臨其境”探黑洞

張唯誠

假如你可以“接近”一個(gè)黑洞，會(huì)發(fā)生什么有趣的現(xiàn)象呢？首先，你會(huì)發(fā)現(xiàn)引力會(huì)越來越強(qiáng)，這并沒有什么特別之處，因?yàn)榻咏厍蚝吞栆彩侨绱恕Ｈ欢總€(gè)黑洞都有一個(gè)“邊界”（被稱為“事件視界”），它是一個(gè)包圍著黑洞的看不見的球形邊界。假如你是腳先進(jìn)入這個(gè)“邊界”，你就有可能看到一件奇怪的事，由于你的下半身獲得了更強(qiáng)的引力，你的腳被無形的力量拉離開你的身體。這就是物理學(xué)家們所稱的“意大利面化”現(xiàn)象，也就是說，你的整個(gè)身體會(huì)被拉得像一根面條了。最后，事情會(huì)變得更加不可思議，從理論上說，所有進(jìn)入黑洞中心的東西都會(huì)變成一個(gè)“奇點(diǎn)”。

當(dāng)然，你不必真的去“身臨其境”了解黑洞這種奇異的宇宙現(xiàn)象。幾十年來，科學(xué)家們已經(jīng)知道了有關(guān)黑洞的很多秘密，尤其是最近一段時(shí)間，他們更是發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的事實(shí)。這些發(fā)現(xiàn)有助于我們更好地理解宇宙的形成和演化。

黑洞“小不點(diǎn)”與“巨無霸”

絕大多數(shù)黑洞都是一顆巨大恒星的“變身”，這種大恒星至少比太陽大10倍，當(dāng)它們耗完了自身的燃料就會(huì)“坍塌”，收縮再收縮，直到變成一個(gè)很小的黑點(diǎn)——“恒星質(zhì)量黑洞”。雖然這時(shí)的它已比當(dāng)初的那顆恒星小多了，但它擁有的質(zhì)量和引力卻和原恒星是一樣的。

通常情況下，一個(gè)星系大約會(huì)包含有1億個(gè)這樣的黑洞。天文學(xué)家們估計(jì)，宇宙大約每秒鐘就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的黑洞。但小恒星或者中等大小的恒星，例如像太陽那般大小的恒星就不會(huì)形成黑洞，當(dāng)它們耗完了自身的燃料，就會(huì)變成一個(gè)行星大小的白矮星。

“恒星質(zhì)量黑洞”是宇宙中最普通的黑洞，它們只是黑洞家族中的“小不點(diǎn)”，在黑洞譜系的另一端自然就是黑洞中的“巨無霸”了，它們被稱為“超大質(zhì)量黑洞”。這種黑洞可能擁有100萬甚至10億顆恒星的質(zhì)量，就目前所知，它們是宇宙中力量最為強(qiáng)大的天體。它們控制著由幾百萬顆、幾十億顆乃至更多恒星組成的星系。大約40年前，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)控制著銀河系的“超大質(zhì)量黑洞”，它就是人馬座A*。

黑洞并不只是質(zhì)量巨大，它的密度也非常大，大到你將整個(gè)地球都裝進(jìn)去，才有頂針大小。在宇宙中，一個(gè)只有一座城市大小的黑洞就可以擁有和太陽一樣大的質(zhì)量和引力，就可以控制太陽系中的八大行星，當(dāng)然也包括太陽系中其他所有的天體。

如何看到黑洞

任何東西都無法逃離黑洞，包括可見光、X射線、紅外光、微波，以及其他任何形式的輻射，所以黑洞是無法看到的。天文學(xué)家只能間接地“觀測(cè)”黑洞，他們的辦法是研究黑洞與周圍的環(huán)境如何發(fā)生關(guān)系。例如黑洞時(shí)常釋放一道非常強(qiáng)大的噴流，這道噴流由氣體和輻射組成，非常明亮，能被望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。美國斯坦福大學(xué)的天文學(xué)家朱莉·拉龍多和她的同事們正使用美國宇航局錢德拉太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)研究18個(gè)大型黑洞發(fā)出的噴流，這些噴流如此之強(qiáng)，以至于其延伸的范圍輕易地就能超越整個(gè)星系。

通過噴流的大小來估計(jì)黑洞的大小，科學(xué)家們有了驚人的發(fā)現(xiàn)。2012年12月，拉龍多等人報(bào)告說，有些黑洞是如此巨大，乃至于“超大質(zhì)量”不足以形容，而是應(yīng)該用“極大質(zhì)量”來表述。這種黑洞所擁有的質(zhì)量可能超過太陽質(zhì)量的100億到400億倍，而在幾年前，人們還沒有發(fā)現(xiàn)質(zhì)量超過太陽100億倍的黑洞。

關(guān)于黑洞的“雞與蛋”問題

關(guān)于黑洞質(zhì)量的發(fā)現(xiàn)讓天文學(xué)家們對(duì)宇宙的演化產(chǎn)生了新的疑問：假如一個(gè)黑洞的質(zhì)量可以達(dá)到太陽質(zhì)量的400億倍，那么它們超強(qiáng)的引力便不是僅僅控制一個(gè)星系了，它們應(yīng)該足以控制整個(gè)星系團(tuán)或者星系群。這樣大的質(zhì)量必須在黑洞形成后的多少億年里經(jīng)過積累才能獲得，但黑洞是如何做到這一點(diǎn)的呢？

另外一個(gè)難解之謎是黑洞和群星的關(guān)系，宇宙中是先有黑洞還是先有群星？這個(gè)問題就像是先有雞還是先有蛋一樣令人困惑。大約兩年前，美國科學(xué)家利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡研究了一個(gè)名為NGC 1277的星系，這個(gè)星系距地球超過2.2億光年，大小為2.5萬光年，只相當(dāng)于銀河系的1/4，其質(zhì)量也只相當(dāng)于銀河系恒星總質(zhì)量的14%。但科學(xué)家們卻在它的中心發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極大的黑洞，人們估計(jì)，這個(gè)黑洞的質(zhì)量是銀河系黑洞人馬座A*質(zhì)量的4000倍以上。

這讓天文學(xué)家們感到非常費(fèi)解，因?yàn)檫@個(gè)黑洞相對(duì)于它所在的星系顯得太大了?？茖W(xué)家們通常相信，黑洞和星系是相伴著演化的，要么共同成長，要么同時(shí)停止成長。新的發(fā)現(xiàn)則暗示，這個(gè)黑洞要么是通過吞噬附近的恒星和其他黑洞一直在成長，要么它一誕生就是一個(gè)“大塊頭”，只有這樣才能解釋這個(gè)星系和黑洞之間奇怪的“不相稱”現(xiàn)象。究竟是哪種情況呢？要破解這個(gè)秘密，科學(xué)家們只有等待更多的發(fā)現(xiàn)。他們希望知道，宇宙中是否還有其他這樣的星系，或者是在一個(gè)很大的星系中心是否會(huì)存在著一個(gè)相對(duì)很小的黑洞。

黑洞并不“貪吃”

許多人認(rèn)為，黑洞會(huì)像一個(gè)宇宙“吸塵器”，不斷地將周圍的一切都吸進(jìn)去，然而真實(shí)的情況并非如此，黑洞只是“乖乖地”待在那里，除非有什么東西離它太近才會(huì)掉進(jìn)去。

2010年5月，在夏威夷的一架望遠(yuǎn)鏡捕捉到一個(gè)來自遙遠(yuǎn)星系的閃光，這道閃光最亮的時(shí)候發(fā)生在7月，然后逐漸暗了下去。一個(gè)由天文學(xué)家組成的研究小組鑒定了那束閃光的性質(zhì)：一顆恒星在經(jīng)過一個(gè)黑洞附近時(shí)被黑洞撕扯得破裂開來，破裂的殘骸墜落到黑洞中，由于這個(gè)過程產(chǎn)生了非常高的溫度，因此發(fā)出了耀目的閃光。由此看來，即使是看不見的黑洞，當(dāng)它們?cè)凇俺缘簟币活w恒星時(shí)也是能夠表演“閃光秀”的。

黑洞是宇宙中最極端的天體，天文學(xué)家們還在繼續(xù)尋找更多具有極端特征的黑洞，包括最大、最小或者最怪異的黑洞。接下來，更多的觀察將幫助人們理清黑洞和恒星、星系以及星系群之間的復(fù)雜關(guān)系，這將有助于揭示宇宙天體的秘密：它們?nèi)绾涡纬?，如何演化，如何相互影響…?/p>

【責(zé)任編輯】龐 云endprint