下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
人们喜欢说“群星灿烂”。但在真实的宇宙里，星星中有灿烂的，也有不灿烂的。在肉眼可见的星星中，行星自己不发光。恒星的生命历程非常漫长，从熊熊燃烧之火，最后变为宇宙中的暗星天体。暗天体不发光，或者发出很少的光亮，默默地待在黑暗之中，但它们仍然用自己强大的引力发挥最后的威力。
越不灿烂的星星，越能激发人们的好奇心。所以，我们的故事就首先从最“暗”的天体——黑洞讲起。
有关黑洞的探讨，可以追溯到200多年前的经典力学时代。当时的科学家，比如拉普拉斯，把此类天体叫做“暗星”，见图1-3-1（a）。事实上，首先提出暗星概念的是英国人米歇尔（John Michell，1724—1793年）。他是一位地质学家，却感兴趣于天文学。他使用牛顿力学定律计算质量
m
的运动物体相对于某个质量
M
的星球的逃逸速度
v
e
，得到如下公式：
，这里
G
是万有引力常数，
r
是星球的半径。如果运动物体的质量
m
很小，可以忽略不计时，逃逸速度与星体质量有关：
v
e
＝平方根（2
GM
/
r
）。
图1-3-1 暗星和黑洞
这里的逃逸速度指的是能够逃出这个天体引力吸引的最小速度。我们在地球上抛石头，抛出石头的速度越快，便能将它抛得越远。如图1-3-1（a）所示，想象有一个大力士，能够给予石头很大的速度，以至于石头飞向宇宙空间。有的石头可能会绕着地球转圈，速度更大的便永远不再回来，这个“不再返回”的最小速度就是逃逸速度。因此，只有当物体相对星球的运动速度 v 大于逃逸速度 v e 时，物体才能挣脱星球引力的束缚，逃逸到宇宙空间中。这个概念也被著名的拉普拉斯（Pierre-Simon，Laplace，1749—1827年）提出，并写到他的《宇宙系统》一书中，成为黑洞概念的最初萌芽。
根据拉普拉斯和米歇尔的预言，如果星体的质量 M 足够大，它的逃逸速度 v e 将会超过光速。这意味着即使是光也不能逃出这个星球的表面，那么，远方的观察者便无法看到这个星球，因此它成为一颗“暗星”。当初他们得出这个结论是根据牛顿的光微粒说，计算基础是认为光是一种粒子。有趣的是，后来拉普拉斯将这段有关暗星的文字从该书的第三版中悄悄删去了。因为在1801年，托马斯·杨的双缝干涉实验使得大多数物理学家们接受了光的波动理论，微粒说不再得宠。于是拉普拉斯觉得，基于微粒说的“暗星”计算可能有误，新版的书中最好不提为妙。
1915年，爱因斯坦建立了广义相对论。紧接着，物理学家史瓦西首先为这个划时代的理论找到了一个球对称解，叫做史瓦西解。这个解为我们现代物理学中所说的黑洞建立了数学模型。最有意思的是，虽然拉普拉斯等人有关暗星的计算基础（光的微粒说）是错误的，但他们得出的基本结果（黑洞半径）却与史瓦西解得到的“史瓦西半径”完全一致。因为拉普拉斯等人在计算半径的过程中犯了多次错误，最后，这些错误刚好互相抵消了！
不过虽然算出的半径相同，但作为史瓦西解的“黑洞”概念，已经与原来拉普拉斯的所谓暗星，完全不是一码事。史瓦西黑洞有着极其丰富的物理意义和哲学内涵，黑洞周围的时间和空间，有许多有趣的性质，涉及的内容已经远远不是光线和任何物体能否从星球逃逸的问题。
我们在后面的章节中还会再提到黑洞的数学模型和物理性质。本节中，读者可以首先从时空弯曲的角度来粗略地理解“黑洞”，如图1-3-1（b）所示。
广义相对论描述的是物质引起的时空弯曲
。质量比较大的星体，诸如恒星，能使得其周围的时空弯曲，可以将此比喻为一个有质量的铅球，放在弹性材料制造的网格上。铅球的质量使得橡皮筋网格弯曲下陷。比如说，图1-3-1（b）中最左上角所示是我们的太阳，它在恒星中质量算是中等，橡皮网下陷不多。除了太阳之外，图1-3-1（b）中还显示了质量密度更大的恒星、白矮星、中子星等情况。不同大小的质量密度会引起不同的时空弯曲，密度越大，弯曲程度越大，相应图中弹性网格的下陷也越深。由图中的描述，黑洞可以看成是当“引力塌缩”后，物体体积极小、质量密度极大时的极限情形。质量太大，引起时空极大弯曲，质量大到弹性网格支撑不住“破裂”而成为一个“洞”。这时候，任何进入洞口的物体都将掉入洞中，再也出不来。这个“洞口”指的是史瓦西半径以内，“物体”则包括所有的粒子及辐射（光），这便形成所谓的黑洞。
前面曾经介绍了太阳的生命周期。你是否想象过，太阳老了之后会是什么样子？再过大约50亿年之后，太阳核心的聚变材料（氢）烧完了，会经历一个突然膨胀为红巨星的阶段。那时的太阳将变成一个大红胖子！这段红胖子时间虽然也有好几亿年，但在天文学家们的眼中却不算一回事，因为他们要考虑的时间尺度都太大了。
那么，太阳为什么突然会变成个大红胖子呢？因为在恒星的主序星阶段，热核反应将氢合成为氦。如果氢没有了，核心中的氦又累积到了一定的比例，在核心处便会进行激烈的氦燃烧，导致失控的核反应（氦融合），几分钟内释放出大量能量。天文学家们将这一过程叫做“氦闪”，这一闪就是100万年！结果闪出了一个大红胖子。胖子内部的氦还在继续燃烧，核心温度达到1亿℃。待很大比例的核心物质转换成碳之后，内部温度开始逐渐下降。随着外层的星云物质逐渐被削去，引力使得星体向核心塌缩，体积逐渐缩小。最后，一个白矮子从红胖子中逐渐出现，这便是太阳老时的模样：白矮星！太阳目前的体积为100万个地球大小，但它成为白矮星后，体积将缩小到地球大小。因此，白矮星的密度极高，从其中挖一块小方糖大小（1cm 3 ）的物质，质量可达到1T！
白矮星的光谱属于“白”型，白而不亮，因为这时候聚变反应已经停止，只是凭借过去积累的能量发出一点余热而已。老耄恒星也明白“细水长流”之道理，它们发出的光线黯淡不起眼，剩余能量将慢慢流淌，直到无光可发，变成一颗看不见的、如同一大块金刚石（钻石）形态的“黑矮星”！目前在宇宙中观察到的白矮星数目已经可以说是多到“不计其数”，据估计银河系就约有100亿颗。但是，黑矮星却从未被观测到，科学家们认为其原因是从白矮星变到黑矮星需要几百亿年，已经超过了现在估计出的宇宙年龄。然而，对没有观测到的这类“假想”星体，人类毕竟知之甚少，尚需进行更为深入的研究。
你是否知道夜空中最亮的恒星是哪一颗？就是位于大犬座的天狼星。这颗星如此明亮，因此远在公元前，人们对它就有所记载。天狼是中国人给它起的名字，在西方文化中，它被称为“犬星”。“犬”和“狼”本来是属于同类，虽然在不同文化中对这颗星的称呼相似，但人们对其寄托的想象和征兆却迥然不同。我们的祖先认为这颗星带着一股“杀气”，象征侵略。“青云衣兮白霓裳，举长矢兮射天狼。”是屈原《九歌》中的句子；苏轼的诗中也用“会挽雕弓如满月，西北望，射天狼”来表达自己欲报国立功的信念。古罗马人也认为“犬星”主凶，会造成灾难。而古埃及人却把天狼星作为“尼罗河之星”加以崇拜。
天狼星因为最亮眼，因而早就被人类观测到。但直到1892年，人们才知道它并非“单身”，而是有一个时时不离的“伴侣”。因为观测者在研究天狼星的运动时，发现它总是在转小圈圈。为什么转圈？绕着谁转？依靠更强大的望远镜，人们才认识到天狼星原来是一对双星，便称它们为天狼星A和B。这个伴星B的质量约为一个太阳质量，但大小却只与地球相当。它的表面温度也不低（25000K），但发出的光却只有天狼星A的万分之一，因而，它在亮丽的“女伴”旁边不容易被人发现。更多研究表明，它距离我们大约8.5光年，是距离地球最近的一颗白矮星。
光年是天文学中经常使用的距离单位，也就是光旅行1年所走过的距离。比如说，照在我们身上的太阳光是太阳在8分钟之前发出来的，也就可以说，太阳离地球的距离是8光分。而光线从刚才提到的天狼星B，传播到地球上则需要8.5年。
后来，难以计数的白矮星被发现。2014年4月，在距离地球约900光年的水瓶座方向，发现一颗已有110亿年寿命的“钻石星球”，它是到那时为止发现的温度最低、亮度最暗的白矮星。这块与地球差不多大小的大钻石尽管价值连城，但人类却承受不起，太重了，还是离它远一点为妙。
根据目前的恒星演化模型，我们的太阳在老耄之年的样子，大概就类似于天狼星B，或者新近发现的这颗钻石星。也许最后，它们将从白矮星缓慢地演化成黑矮星，但永远不会变成黑洞。那么，什么样的恒星最后才将塌缩成为黑洞呢？