“黑洞”漫談

湖北省丹江口市石鼓鎮(zhèn)中學 王 兵

2019 年，30 多位各國科學家利用全球各地的8 臺射電望遠鏡，歷時4 年拍攝并“沖洗”的世界上第一張黑洞照片終于被公之于眾。這張室女座超巨橢圓星系M87 中心的超大質(zhì)量黑洞照片看起來非常模糊和夢幻，但卻更加激起了大家對黑洞的好奇。

世界上第一張黑洞照片

黑洞的形成

黑洞是現(xiàn)代廣義相對論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種天體。在很多科幻小說或電影里，人們可以通過黑洞來穿越時空或進行星際旅行。那黑洞究竟是從何而來的呢？

據(jù)科學家研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的黑洞形成的原因可能并不相同。例如恒星質(zhì)量的黑洞，也就是大概三到幾十個太陽質(zhì)量的黑洞，它的產(chǎn)生過程大致是這樣的：恒星死亡的時候，其中間的鐵質(zhì)核心會發(fā)生引力坍縮；引力坍縮到一定程度的時候，引力勢能釋放會引發(fā)爆炸；爆炸的沖擊波在向外擴張的時候，引力坍縮仍在繼續(xù)，坍縮產(chǎn)生的引力強過爆炸力之后，又將其產(chǎn)生的能量、物質(zhì)統(tǒng)統(tǒng)都吸引回來，于是便形成了黑洞。大致上可以說是由于超新星爆炸失敗，產(chǎn)生了恒星質(zhì)量的黑洞。

另外一種超大質(zhì)量黑洞，是指百萬倍太陽質(zhì)量以上的黑洞，它們一般都位于星系靠近中間的位置。目前主流觀點認為，銀河系的中間就可能存在一個超大質(zhì)量黑洞?？茖W家認為超大質(zhì)量黑洞在初生的時候可能并沒有那么大，而是在漫長的時間里不斷吸入星系里的氣體、恒星等周圍物質(zhì)，才逐漸“長”成那么大的。

還有一種中等質(zhì)量黑洞，也是科學家一直在尋找的黑洞，被認為是黑洞演化理論中重要的“缺失環(huán)節(jié)”。著名科學家霍金還提出過一種量子黑洞，也叫微型黑洞。據(jù)他推測，量子黑洞會發(fā)出一種熱輻射，也叫黑洞輻射或霍金輻射。但遺憾的是，霍金輻射目前并沒有被實際觀測到。

黑洞的存在

我們普通人大概只知道黑洞的引力非常大，任何經(jīng)過它附近的物質(zhì)都會被吸進去，就連光也不例外。但是，黑洞并不是我們認為的一個洞的概念，而是一種密度無限大、體積無限小的奇異天體。那我們是如何發(fā)現(xiàn)黑洞的呢？

絕大多數(shù)天文愛好者都認為黑洞的發(fā)現(xiàn)是在愛因斯坦提出廣義相對論之后。但其實早在18 世紀晚期，英國科學家約翰·米歇爾就提出了“暗星”的概念。他所假設的關于“暗星”的各種特性，事實證明已經(jīng)非常接近于我們現(xiàn)在所說的黑洞。

然而在當時，人們無法理解沒有質(zhì)量的光和引力之間是如何產(chǎn)生作用的，所以沒人相信約翰·米歇爾的猜測。直到愛因斯坦的廣義相對論發(fā)表之后，人們經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)了第一個黑洞。因此，科學家把廣義相對論看作是黑洞存在的理論基礎。

1915 年，愛因斯坦的廣義相對論的引力場方程式發(fā)布兩個月之后，德國科學家卡爾·史瓦西計算出了這個方程中的一個精確解，也就是我們所說的“黑洞的史瓦西半徑”。在這個半徑內(nèi)，所有的物質(zhì)都向著位于黑洞中心的奇點坍塌。所以，黑洞這個無法被人類直接觀測的天體，首先是被數(shù)學家通過理論公式計算出來的。

黑洞的發(fā)現(xiàn)

就連光都無法逃脫黑洞的引力，因此我們也就無法在光學上觀測黑洞。那我們?nèi)绾握业胶诙茨兀?/p>

在著名科幻電影《星際穿越》中，我們看到卡岡圖雅黑洞周圍有一圈非常明亮的光環(huán)。而在現(xiàn)實中，由于黑洞產(chǎn)生的引力效應，也確實會在它的周圍聚集大量的星際物質(zhì)。這些繞黑洞高速運行的星際物質(zhì)被稱為吸積盤。吸積盤在旋轉的過程中一般都會產(chǎn)生大量的輻射，雖然這會影響我們對黑洞大小的判斷，但卻讓它變得光學可見。

卡岡圖雅黑洞

同時，由于黑洞本身的質(zhì)量和引力場都很大，科學家可以通過觀察黑洞對其周圍天體的牽引，來尋找由可見恒星和黑洞組成的雙星系統(tǒng)。那么，什么是雙星系統(tǒng)呢？科學家又是如何通過雙星系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)黑洞的呢？

雙星系統(tǒng)是指由兩顆恒星組成，相對于其他恒星來說，位置看起來非?？拷奶祗w系統(tǒng)。簡單地說，如果我們觀測到一顆恒星在繞著一個我們看不見的天體旋轉，我們就可以通過這顆恒星的旋轉周期來計算出這個看不見的天體的質(zhì)量。如果它的質(zhì)量非常大，大過幾個太陽的質(zhì)量，那我們基本就可以確定這就是一個黑洞。

有意思的是，在科學家還沒看到黑洞的本來面目時，卻先一步監(jiān)測到了它的“聲音”。2015 年9 月14 日，人類首 次 探測到大約13 億光年之外的兩個黑洞合并時發(fā)出的引力波信號。在這次雙黑洞合并中，一個36 倍太陽質(zhì)量的黑洞與一個29 倍太陽質(zhì)量的黑洞，合并成一個62 倍太陽質(zhì)量的黑洞，并輻射出3 倍太陽質(zhì)量的能量。這種巨大的能量以引力波的形式向外傳播，經(jīng)過13 億光年的跋涉到達了地球。

黑洞的里面

黑洞的里面究竟有什么？事實上這個問題現(xiàn)在還無法回答。因為還沒有飛行器或人類進去之后再出來。

科學家推測黑洞的中心是一顆密度超高的坍縮恒星內(nèi)核，內(nèi)核周圍是一個叫做“視界”的球面?！耙暯纭睂⒑诙春陀钪娴钠溆嗖糠忠环譃槎?，進入“視界”的東西可能永遠都無法出來。

但是，著名科學家霍金卻認為在“視界”層面上，常規(guī)的物理學定律不再適用。他推測，如果有一對粒子在黑洞的邊緣出現(xiàn)，其中一個粒子被黑洞吸進去了，而另外一個粒子則會被迫成為宇宙中一個實際存在的粒子。因此，它必須從黑洞里吸取能量。

按照霍金的這種設想，黑洞會隨著時間的流逝，慢慢地減少質(zhì)量，最終會徹底蒸發(fā)。同時，霍金還認為黑洞是有出口的，就算被吸進去也出得來，但出口可能通往另一個宇宙。

對于霍金的觀點，大多數(shù)科學家都認為，在沒有制造出實驗方法之前，它也不過是一家之言。實際上，從米歇爾最初提出“暗星”的概念，到我們監(jiān)測到黑洞的“聲音”，科學家關于黑洞的爭論就一直沒有停止過。