宇宙中的黑洞
——時空彎曲的神秘漩渦

中科院上海天文臺（201602） 袁 峰

宇宙中的黑洞
——時空彎曲的神秘漩渦

中科院上海天文臺（201602） 袁 峰

一、什么是黑洞

黑洞，單單從這個名字看，就讓人感覺神秘。事實上也的確如此，即使在天文學(xué)家的眼中，黑洞也是宇宙中最不尋常的天體。要介紹黑洞，先要從“逃逸速度”說起。

從星體表面發(fā)射火箭到太空，要想逃脫該星體引力的束縛，就要求火箭的速度必須大于一個臨界速度。只要比這個速度快，物體就能不再掉落到星體上，或繞著它旋轉(zhuǎn)，而可以去更遠(yuǎn)的外太空自由翱翔，故而這個速度稱為“逃逸速度”。地球的逃逸速度大約是每秒11公里，太陽表面的引力比地球強很多，因此太陽的逃逸速度大約是每秒600公里。那么，如果有這么一種物體，它的表面引力非常強，以至于逃逸速度等于光速——宇宙中最快的速度，此時任何物體，甚至是光子本身，都無法逃脫該物體的“引力魔掌”——這個物體就是黑洞。

“黑洞”這個名詞，是美國物理學(xué)家惠勒于1967年發(fā)明的。而“黑洞”的想法，早在18世紀(jì)就由博學(xué)家米切爾以及著名數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家拉普拉斯提出來了。但是這些想法嚴(yán)格地說并不嚴(yán)謹(jǐn)，因為它們都是基于牛頓力學(xué)，而我們現(xiàn)在知道，當(dāng)引力非常強時，牛頓力學(xué)不再適用了，應(yīng)當(dāng)用愛因斯坦的廣義相對論取代。所以，直到上世紀(jì)初，當(dāng)愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了廣義相對論之后，黑洞的存在才得到了嚴(yán)格證明。

廣義相對論預(yù)言的黑洞由兩個基本結(jié)構(gòu)組成：黑洞中心是一個“奇點”，所有的物質(zhì)都集中在這個點上，密度因而是無限大。當(dāng)然，現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為，廣義相對論本身還不是終極理論，還需要發(fā)展，具體來說是要與量子力學(xué)結(jié)合。這樣的話，奇點將不再是個沒有體積的點了。奇點之外，黑洞存在一個“表面”，叫“視界”，這也是黑洞的“半徑”。視界可以看作是黑洞的“勢力范圍”。一旦進(jìn)入視界，所有的物體，包括光，都無法逃脫。不同質(zhì)量的黑洞，其視界的大小是不一樣的。若黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于地球質(zhì)量，則視界只有2．5厘米。也就是說，地球要變成一個黑洞的話，必須縮小為乒乓球大小才可以。若太陽變成一個黑洞，則就要從目前的70萬公里半徑的巨大火球變成半徑只有3公里的球體。

二、宇宙天體的興衰

宇宙中的天體也與地球上的生物一樣，會經(jīng)歷誕生、成長、衰老和死亡。廣義相對論預(yù)言，黑洞就是大質(zhì)量恒星死亡以后的“殘骸”。具體來說，黑洞是質(zhì)量大于20倍太陽質(zhì)量的恒星死亡以后形成的。

萬有引力無處不在，一個恒星各個部分之間當(dāng)然也是存在萬有引力的。但是，恒星之所以能夠維持一個較大的球形而沒有被萬有引力吸引得“塌縮”下去，是由于存在其他的力與引力抗衡，這個力就是恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)加熱氣體產(chǎn)生的膨脹壓力。熱核反應(yīng)的基本過程是將較輕的氫元素合并成較重的氦元素，在這一過程中會釋放出大量的熱量。等到核燃料逐漸耗盡的時候，恒星也就開始衰老，瀕臨死亡了。這時，氣體就會很快冷卻下來，與引力相抗衡的氣體壓力因而就會大大減小。于是，恒星在強大的萬有引力作用下會迅速向中心塌縮，體積迅速縮小。塌縮過程中會形成反彈激波，恒星外層的氣體會在反彈激波的作用下爆炸，將一部分氣體炸到宇宙空間中。

下一步的命運取決于原初恒星的質(zhì)量。若原先的恒星質(zhì)量較小，小于10倍太陽質(zhì)量，則恒星縮小到一定程度后，一種叫做“電子簡并壓”的力能夠與引力抗衡，星體于是停止塌縮。這時形成的星體叫“白矮星”。這種星體表面仍然存在少量可燃燒物質(zhì)，但是溫度非常高，所以顏色很“白”。再加上這種形體體積很小，即“很矮”，所以叫做白矮星。

若爆發(fā)前身恒星的質(zhì)量比較大，大于10倍太陽質(zhì)量但小于20倍太陽質(zhì)量，引力就會更強一些，這時電子簡并壓力也無法與引力抗衡，恒星會進(jìn)一步塌縮。這時另一種力——“中子簡并壓力”出現(xiàn)并發(fā)揮作用，能夠與引力達(dá)到平衡。星體于是停止塌縮。這時形成的星體叫做“中子星”。中子星中大部分物質(zhì)都是由中子構(gòu)成的，中子和中子之間空隙很小，故中子星密度非常大：它的半徑只有10公里，但是質(zhì)量卻達(dá)到太陽質(zhì)量的兩倍！

若爆發(fā)恒星的質(zhì)量高于20倍太陽質(zhì)量，引力會非常強，即使是中子簡并壓力也無法與之平衡，于是恒星只能無限制的塌縮下去，變成一個黑洞！這次發(fā)現(xiàn)的黑洞，其前身星正是一個大約20倍太陽質(zhì)量的恒星！

詳細(xì)研究表明，對于質(zhì)量大于20倍太陽質(zhì)量的恒星，其演化的最終結(jié)局雖然都是黑洞，但卻有兩種截然不同的具體表現(xiàn)：一是超新星爆發(fā)，二是伽馬射線暴。恒星具體命運如何，取決于恒星的初始物理狀態(tài)，比如旋轉(zhuǎn)的快慢。旋轉(zhuǎn)慢的大質(zhì)量恒星死亡后會發(fā)生超新星爆發(fā)，而旋轉(zhuǎn)快的則會形成一個強大的“噴流”，形成伽馬射線暴。超新星爆發(fā)與伽馬射線暴兩種爆發(fā)的總能量相差無幾，區(qū)別在于前者較“溫和”，即這些能量是在較長的時間里爆發(fā)，而后者非常劇烈，在極短時間里——從不到1秒到幾百秒——就發(fā)出巨大的能量。伽馬射線暴是宇宙自誕生以來我們目前所知道的最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象，是上世紀(jì)60年代才偶然發(fā)現(xiàn)的比較新的天文現(xiàn)象，關(guān)于它的起因仍是一個謎，因此是目前天體物理研究的一個熱點。而這次觀測到的年輕黑洞，形成于31年前觀測到的一次超新星爆發(fā)。

三、首次看到黑洞誕生

此前，曾有媒體宣稱NASA此次宣布的發(fā)現(xiàn)“足以震驚全人類”，引發(fā)網(wǎng)友廣泛關(guān)注，錢德拉望遠(yuǎn)鏡的官方網(wǎng)站甚至因為訪問人數(shù)過多而無法訪問。雖然這則消息不是有些人想象中的“外星人”、“飛碟”、“世界末日”之類，但從科學(xué)研究的意義上，這的確是個意義重大、激動人心的消息。

可以想象，上面描述的恒星從衰老到爆炸死亡、形成黑洞的整個過程是極端復(fù)雜的，涉及到的物理知識幾乎涵蓋了經(jīng)典以及現(xiàn)代物理和天文學(xué)的所有主要的分支和領(lǐng)域，包括核物理、統(tǒng)計物理、廣義相對論、量子力學(xué)、流體力學(xué)、輻射物理以及恒星結(jié)構(gòu)與演化等等。毫不夸張地說，黑洞的形成理論是物理和天文學(xué)家們幾個世紀(jì)來智慧的結(jié)晶、集大成之作。

顯然，從觀測上驗證上述黑洞形成的復(fù)雜理論，最理想的情況就是看到恒星從爆發(fā)到形成黑洞的整個過程。然而，迄今為止，盡管天文學(xué)家們已經(jīng)在銀河星內(nèi)發(fā)現(xiàn)了20多個黑洞，卻無法判斷這些黑洞的年齡——只是可以確定，它們都不是剛剛誕生的。

這次美國宇航局宣布的發(fā)現(xiàn)意義之所以重大，原因就在于我們?nèi)祟悮v史上首次看到了黑洞誕生以及早期演化的整個過程，而且由于這個黑洞距離我們非常近，只有5000萬光年，更為資料積累提供了便利。從1979年恒星開始爆發(fā)，一直到今天的31年時間里，我們都有對這個黑洞的詳盡的觀測資料。這對于驗證我們的恒星演化和黑洞形成理論，并進(jìn)而推斷星系、宇宙中黑洞的分布以及有關(guān)的天體物理研究無疑將有重要幫助。

同時，天文學(xué)家之所以對黑洞那么有興趣，還有很多原因。目前，國際上的天體物理研究熱點，有“一黑、兩暗、三起源”的說法，“一黑”指的就是黑洞（兩暗是指暗物質(zhì)、暗能量，三起源是指宇宙起源、天體起源、生命起源）。黑洞研究之所以重要，首先因為黑洞周圍引力極強，由此引起的吸積盤中的氣體的其他物理性質(zhì)也都非常極端，如超高溫、高壓、超強磁場等等，這些極端的條件是地球上的實驗室無法達(dá)到的，而這些恰恰對于我們驗證物理學(xué)的基礎(chǔ)性理論如廣義相對論等可以說起著舉足輕重的作用。其次，宇宙中大部分有趣的劇烈爆發(fā)、高能量現(xiàn)象都是跟黑洞聯(lián)系在一起的，比如伽馬射線爆發(fā)、活動星系核（指的是星系中心的質(zhì)量超過太陽質(zhì)量百萬倍以上的超大質(zhì)量黑洞）等，故研究黑洞能直接幫助我們揭開這些現(xiàn)象的神秘面紗。第三，最近的研究發(fā)現(xiàn)，黑洞與其他的一些人們感興趣的問題緊密相關(guān)，比如星系是如何形成和演化的。只有研究清楚了黑洞本身，才可能最終解決這些難題。

（本文原載于2010年11月23日《文匯報》）

相關(guān)鏈接 錢德拉太空望遠(yuǎn)鏡

錢德拉太空望遠(yuǎn)鏡原稱高級X射線天體物理學(xué)設(shè)施(AXAF)，是美國航宇局NASA“大天文臺”系列空間天文觀測衛(wèi)星中的第三顆。該系列共由4顆衛(wèi)星組成，另三顆是康普頓(Compton)伽馬射線觀測臺、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(HST)和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡。

錢德拉望遠(yuǎn)鏡專為觀察來自宇宙最熱的區(qū)域的X射線而設(shè)計，以幫助天文學(xué)家搜尋宇宙中的黑洞和暗物質(zhì)，從而更深入地了解宇宙的起源和演化過程。它是迄今為止人類建造的最先進(jìn)、最復(fù)雜的太空望遠(yuǎn)鏡，被譽為“X射線領(lǐng)域內(nèi)的哈勃”。

1999年7月23日，錢德拉望遠(yuǎn)鏡由美國哥倫比亞號航天飛機(jī)送入太空。它距地球最遠(yuǎn)時的距離約為地球到月球的距離的三分之一。選用這種大橢圓軌道是為了有盡可能多的時間讓望遠(yuǎn)鏡保持在地球的輻射帶之外，并避開在離地球很近處運行帶來的一些觀測上的限制。

摘自2010年11月23日《文匯報》