黑洞

苏宜

黑洞概念源自广义相对论的理论计算。广义相对论认为，时间和空间都是相对于物质而存在的，如果所有物质没有了，时间和空间也就没有了；有天体存在的宇宙空间是弯曲的，就像重球压在一块橡皮布上橡皮布会弯曲一样（图 3-1）。天体的质量越大，离天体越近，那里的空间弯曲就越严重。在弯曲的宇宙空间里，光和所有电磁波都不走直线，而是沿着弯曲的路径传播（图 3-2）。1919 年 5 月 29 日的日全食，太阳刚好位于金牛座的一些亮星之间。英国天文学家爱丁顿（A. S. Eddington，1882—1944）带领观测队在非洲西海岸的普林西比岛拍下了全食太阳旁边的这些亮星的照片（图 3-3）；拿半年之前的夜间，太阳不在那里时拍下的照片来对比，发现星星们的位置确实改变了，改变的程度与广义相对论预言的完全一致（图 3-4）。这就是星光弯曲的证明，它表明相对论是正确的。对此，媒体竞相以通栏标题报道，使之成为轰动世界的热点新闻。

1915 年，爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）发表广义相对论后不久，德国天文学家史瓦西（K. Schwarzchild，1873—1916）应用相对论的理论计算出，如果某个天体的全部质量都压缩到很小的称为“引力半径”的范围之内，该范围内的空间就会弯曲到完全封闭的状态，所有的物质、能量和信息，当然包括传播光线的光子都被囚禁在里面，不可能发射出来。从外界看，这个天体就是绝对黑暗的。1968 年，美国天文学家惠勒（John Wheeler）为这种天体取名“黑洞”。

引力半径的大小只与天体的质量有关。像太阳这样质量的恒星，引力半径是 2.95 千米。若把太阳的全部质量都压进直径 5.9 千米的球，太阳将成为永不发光的黑洞。与地球质量相当的引力半径只有 8.9 毫米。如果把属于地球上连带着大气、海洋、山脉、河流、人和其他生物的一切物质，统统压缩到直径 1.78 厘米的小球内，地球也会成为一个黑洞。当然，地球和太阳永远都不会具备被压缩成黑洞的条件。然而，1939 年美国物理学家奥本海默（J.Robert Oppenheimer，1904—1967，图 3-5）却计算出，一颗质量超过太阳质量 3 倍而又没有任何热核反应的“冷恒星”，一定会在自身引力的作用下坍缩成黑洞。

没有任何热核反应的“冷恒星”其实已经不是恒星。准确地说，它是恒星已经死亡的遗骸。“活着的”恒星有两个最重要的特征：第一个特征是拥有巨大的质量，由质量产生的引力使恒星物质聚向中心；第二个特征是有极其强烈的热核反应，由热核反应产生的压力使恒星物质向外扩散。引力和压力相平衡才能使恒星保持稳定。一旦所有核燃料都消耗殆尽，再也没有能力进行热核反应的时候，恒星就要死亡了。死亡的方式是坍缩；坍缩的原因是它自身的重量——引力。所以说：恒星的一生是对其自身引力持久、拼死的反抗。持久，是因为在每个演化阶段都有新的热核反应来反抗引力，维持自己；拼死，是因为这种反抗注定是要失败的。或迟或早，反抗终将失败，恒星终将坍缩。

恒星寿命的长短取决于它的质量；恒星死亡取何种结局，也取决于它生前的质量。像太阳这样质量的恒星，寿命约100亿年，死亡方式较为平稳，结局是白矮星加一片硕大而稀薄的星云——行星状星云，不会成为黑洞。

行星状星云是指外形呈圆盘状或环状的并且带有暗弱延伸视面的星云，属于发射星云的一种。

大于 8 倍太阳质量的大恒星，寿命只有几千万年，临终之时会发生一场猛烈的超新星爆发。短时间内倾泻出巨大的能量，比有生以来正常辐射能量的总和还要多。超爆之后，恒星死亡。外围物质被炸飞，成为一片遗迹星云，残留的核心物质就是奥本海默所说的“冷恒星”。如果残留质量小于 3 倍太阳质量，坍缩为中子星；如果残留质量大于 3 倍太阳质量，则坍缩为黑洞。

黑洞的奇妙性质匪夷所思。黑洞的引力半径所决定的球面，是该天体能被看见的最后边界，也称视界。也就是说，恒星坍缩至小于视界面之后，就再也看不见了。但视界不是黑洞物质的实体边界，而是由引力决定的一个几何界面。全部黑洞物质都集中在视界中心的奇点上。视界以内，所有物质只能向中心集聚，任何两点之间或它们同视界以外都不可能有任何物质或信号联系。视界内部的时空与外部世界完全隔绝，里边发生的一切，外部将永无消息。中心奇点处体积为零，密度为无穷大；在那里，所有物质都被压缩到极限，时空无限弯曲，因而时空不复存在。这就是黑洞。说它“黑”，是因为任何物质和能量，包括光子，都不能从中逃脱出来，它是绝对黑暗的；说它是“洞”，是因为任何外界物质一旦坠入，将立即葬身其中，永无出头之日，落入多少就被吞噬多少，它是一个无底深洞。

奇点是个很复杂的概念，有兴趣的朋友可以查阅相关的资料。

假设一个人坠入黑洞，因为到引力中心的距离不同，理论上这个人的头和脚所受到的引力大小不同，他的身体将会被拉长。这种将身体拉长的力被称为引潮力。地球上的海水正是因为受到月球和太阳的引潮力而出现潮汐现象。在地球表面，人体受到地球的引潮力只有 0.6 克，不会有什么影响。可是，一个10倍于太阳质量的黑洞，其视界直径不到60千米，它对外界物体的引潮力大到难以想象的程度。用普通材料建造的飞行物，在距离视界 400 万千米之内就会被黑洞的引潮力撕成碎片。假设经特殊设计的宇宙飞船和宇航员本身都具有神奇的刚性，能够抗拒强大的引潮力而免遭被撕碎。那么到达视界时，宇航员所承受的引潮力，相当于把他的头悬吊在地球上一根具有绝对刚性的钢梁上，而在他脚下绑吊着2000 万个人的总重量。引潮力使任何物体在一个维度上被拉长，而在别的维度上被挤压。栽入黑洞视界的宇航员在到达奇点时将被拉成无限长，而横向却被压得没影儿了。他的头和脚都被拉进奇点，但却分离得无限远；虽已身长无限却不能将头钻出视界。这真是不可思议的奇妙性质。

所谓刚性是指在外力作用下物体各部分的体积和形状都不会发生变化。具有刚性的物体称为刚体。这是力学中的一个科学抽象概念，实际的物体都不可能是真正的刚体。在科学研究中，当物体大小和形状的变化对整个运动过程的影响可以忽略不计时，则可以将该物体近似地视为刚体。两个刚体不会占据同一个空间。

“维度”即“维”。“维”是几何学的基本概念。直线是一维的，平面是二维的，空间是三维的。如果在三维空间中引入直角坐标，则可以用一组实数表示空间中的一个点。在相对论中所讨论的时空是四维时空：三个空间维度加一个时间维度。

相对论告诉我们，在运动系统中，时间的流逝比在不动的系统中要慢一些；引力强的地方比引力弱的地方时间流逝也要慢一些。当一艘探访黑洞的飞船飞速前进的时候，飞船上的时间会比地球上越来越慢。地球上通过电视屏幕观看飞船行踪的人们，也许已经变老了几代人，而看到的宇航员依然年轻。对宇航员来说，飞船一旦进入黑洞的视界便一头栽进奇点，立即灰飞烟灭，一切荡然无存，时间和空间都消失了。可是，地球上的人却永远看不到飞船抵达视界的情景，因为飞船上的时间已经慢到极限，信号传递需要无穷长的时间。事态的发展永远“定格”在那里，时间被“冻结”了。同时，黑洞引力场已经将电视信号的波长拉成无限长，丧失了传播能力，屏幕上什么也看不到了。

这种完全看不见的神秘天体——黑洞，宇宙中真的存在吗？20 世纪70 年代以后，天文学家开始进行探测，目标是发出强X射线的双星系统。如果双星中的一个已经超爆、死亡，变成黑洞，而另一个是仍在壮年的超巨星，两者又靠得比较近，那么黑洞就会大量吞吃同伴的外围物质，同时发出强大的X射线流。第一个被找到的是天鹅座X-1（图 3-7）。双星中亮的一颗是高温蓝色超巨星HDE226868，半径比太阳大 23 倍；另一颗质量超过太阳 10 倍却完全看不见。两者相距 3000 万千米，绕着转的周期为 5.6 天，有强大的X射线发射。那颗看不见的伴星就应当是一个黑洞，距离我们约 8000 光年，位于银河系中。20 世纪 70 年代共找到4个符合黑洞条件的X射线双星系统，被戏称为“黑洞四人帮”。2001年发现的天蝎座X射线双星GROJ1655-40，也在银河系中，距离我们约6000 光年（图 3-8）。黑洞伴随着一颗黄色巨星，被吸过来的物质堆积成蓝色、高温的吸积盘，发出两股喷流，同时有强大的X射线流发射。

恒星超爆死亡之后形成的黑洞只是黑洞的一个品种，称为恒星级黑洞。另有一种巨型黑洞，拥有几百万至几十亿倍太阳质量，存在于星系的核心。我们银河系的中心在人马座方向，距离 2.6 万光年，那里就有一个 260 万倍太阳质量的巨型黑洞（图 3-9）。大约每过 1 万年，就有一颗恒星被它的引潮力撕碎，一部分碎片被吞吃，另一部分形成气体云围绕黑洞快速旋转。在距离我们 5700 万光年的室女座椭圆星系M87 中心，有一个 30 亿倍太阳质量的巨型黑洞，发出炽热的气体喷流（图 3-10）。

20 世纪 60 年代，天文学家发现了一种奇妙的天体叫作“类星体”。它们远在几十亿、上百亿光年之外，真实亮度抵得上几万亿个太阳，超过银河系总亮度数百倍，但尺度甚至不及星系的几十亿分之一。人们无法解释它娇小的身躯为何能发出如此巨大的能量？直到 20 世纪 90 年代，类星体之谜才基本被揭开：它不是一类天体的全貌，而只是其核心特别明亮的部分——遥远的活动星系的亮核。类星体的主体是快速旋转着的巨型黑洞，质量可能比太阳大几十亿倍，周围有大量的物质被它吞吃，同时发出巨大的能量。不仅有强烈的光辉，还伴随着接近光速的喷流。2001 年，钱德拉X射线望远镜发现一个非常遥远的类星体GB1508+5714，距离约120 亿光年，位于天龙座，发出的喷流长达 10 万光年（图 3-11）。黑洞本身是绝对黑暗的，可是，一个巨型黑洞配备上一定的条件，居然摇身一变，变成了宇宙中最明亮的类星体。宇宙真是太奇妙了！

近十年来，黑洞家族又增加了一个新品种——中等质量黑洞，质量介于恒星级黑洞与巨型黑洞之间，存在于球状星团的中心。例如，仙女座星系M31 中的球状星团G1，中心区就有一个约 2 万倍太阳质量的黑洞（图 3-12）；飞马座的球状星团M15 中也发现有中等质量黑洞，距离我们 3 万光年（图 3-13，图 3-14）。