根據廣義相對論,引力場將使時空彎曲.當恒星的體積很大時,它的引力場對時空幾乎沒什麽影響,從恒星表面上某壹點發的光可以朝任何方向沿直線射出.而恒星的半徑越小,它對周圍的時空彎曲作用就越大,朝某些角度發出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面.
等恒星的半徑小到壹特定值（天文學上叫“史瓦西半徑”）時,就連垂直表面發射的光都被捕獲了.到這時,恒星就變成了黑洞.說它“黑”,是指它就像宇宙中的無底洞,任何物質壹旦掉進去,“似乎”就再不能逃出.實際上黑洞真正是“隱形”的,等壹會兒我們會講到.
那麽,黑洞是怎樣形成的呢?其實,跟白矮星和中子星壹樣,黑洞很可能也是由恒星演化而來的.
我們曾經比較詳細地介紹了白矮星和中子星形成的過程.當壹顆恒星衰老時,它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料（氫）,由中心產生的能量已經不多了.這樣,它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量.所以在外殼的重壓之下,核心開始坍縮,直到最後形成體積小、密度大的星體,重新有能力與壓力平衡.
質量小壹些的恒星主要演化成白矮星,質量比較大的恒星則有可能形成中子星.而根據科學家的計算,中子星的總質量不能大於三倍太陽的質量.如果超過了這個值,那麽將再沒有什麽力能與自身重力相抗衡了,從而引發另壹次大坍縮.
這次,根據科學家的猜想,物質將不可阻擋地向著中心點進軍,直至成為壹個體積趨於零、密度趨向無限大的“點”.而當它的半徑壹旦收縮到壹定程度(史瓦西半徑),正象我們上面介紹的那樣,巨大的引力就使得即使光也無法向外射出,從而切斷了恒星與外界的壹切聯系——“黑洞”誕生了.
與別的天體相比,黑洞是顯得太特殊了.例如,黑洞有“隱身術”,人們無法直接觀察到它,連科學家都只能對它內部結構提出各種猜想.那麽,黑洞是怎麽把自己隱藏起來的呢?答案就是——彎曲的空間.我們都知道,光是沿直線傳播的.這是壹個最基本的常識.可是根據廣義相對論,空間會在引力場作用下彎曲.這時候,光雖然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播,但走的已經不是直線,而是曲線.形象地講,好像光本來是要走直線的,只不過強大的引力把它拉得偏離了原來的方向.
在地球上,由於引力場作用很小,這種彎曲是微乎其微的.而在黑洞周圍,空間的這種變形非常大.這樣,即使是被黑洞擋著的恒星發出的光,雖然有壹部分會落入黑洞中消失,可另壹部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球.所以,我們可以毫不費力地觀察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在壹樣,這就是黑洞的隱身術.
更有趣的是,有些恒星不僅是朝著地球發出的光能直接到達地球,它朝其它方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球.這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”,還同時看到它的側面、甚至後背!
“黑洞”無疑是本世紀最具有挑戰性、也最讓人激動的天文學說之壹.許多科學家正在為揭開它的神秘面紗而辛勤工作著,新的理論也不斷地提出.不過,這些當代天體物理學的最新成果不是在這裏三言兩語能說清楚的.有興趣的朋友可以去參考專門的論著.
黑洞
黑洞是引力極強的地方,沒有任何東西能從該處逃逸,甚至光線也不例外.黑洞可從大質量恒星的“死亡”中產生,當壹顆大質量恒星耗盡其內部的核燃料而抵達其演化末態時,恒星就變成不穩定的並發生引力坍縮,死亡恒星的物質的重量會猛烈地沿四面八方向內擠壓,當引力大到無任何其他排斥力相對抗時,就把恒星壓成壹個稱為“奇點”的孤立點.
有關黑洞結構的細節可用愛因斯坦解釋引力使空間彎曲和時鐘變慢的廣義相對論來計算,奇點是黑洞的中心,在它周圍引力極強,通常把黑洞的表面稱為視界,或叫事件地平,或者叫做“靜止球狀黑洞的史瓦西半徑”,它是那些能夠和遙遠事件相通的時空事件和那些因信號被強引力場捕獲而不能傳出去的時空事件之間的邊界.在事件地平之下,逃逸速度大於光速.這是人類尚未觀察證實的天體現象,但它被霍金等壹些理論天文學家在數學模型方面研究的相當完善.
洞中隱匿著巨大的引力場,這種引力大到任何東西,甚至連光,都難逃黑洞的手掌心.黑洞不讓任何其邊界以內的任何事物被外界看見,這就是這種物體被稱為“黑洞”的緣故.我們無法通過光的反射來觀察它,只能通過受其影響的周圍物體來間接了解黑洞.據猜測,黑洞是死亡恒星或爆炸氣團的剩余物,是在特殊的大質量超巨星坍塌收縮時產生的.
因為黑洞是不可見的,所以有人壹直置疑,黑洞是否真的存在.如果真的存在,它們到底在哪裏?
黑洞的產生過程類似於中子星的產生過程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收縮,發生強力爆炸.當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止,被壓縮成壹個密實的星球.但在黑洞情況下,由於恒星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去,中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末,剩下來的是壹個密度高到難以想象的物質.任何靠近它的物體都會被它吸進去,黑洞就變得像真空吸塵器壹樣
為了理解黑洞的動力學和理解它們是怎樣使內部的所有事物逃不出邊界,我們需要討論廣義相對論.廣義相對論是愛因斯坦創建的引力學說,適用於行星、恒星,也適用於黑洞.愛因斯坦在1916年提出來的這壹學說,說明空間和時間是怎樣因大質量物體的存在而發生畸變.簡言之,廣義相對論說物質彎曲了空間,而空間的彎曲又反過來影響穿越空間的物體的運動.
讓我們看壹看愛因斯坦的模型是怎樣工作的.首先,考慮時間（空間的三維是長、寬、高）是現實世界中的第四維（雖然難於在平常的三個方向之外再畫出壹個方向,但我們可以盡力去想象）.其次,考慮時空是壹張巨大的繃緊了的體操表演用的彈簧床的床面.
愛因斯坦的學說認為質量使時空彎曲.我們不妨在彈簧床的床面上放壹塊大石頭來說明這壹情景：石頭的重量使得繃緊了的床面稍微下沈了壹些,雖然彈簧床面基本上仍舊是平整的,但其中央仍稍有下凹.如果在彈簧床中央放置更多的石塊,則將產生更大的效果,使床面下沈得更多.事實上,石頭越多,彈簧床面彎曲得越厲害.
同樣的道理,宇宙中的大質量物體會使宇宙結構發生畸變.正如10塊石頭比1塊石頭使彈簧床面彎曲得更厲害壹樣,質量比太陽大得多的天體比等於或小於壹個太陽質量的天體使空間彎曲得厲害得多.
如果壹個網球在壹張繃緊了的平坦的彈簧床上滾動,它將沿直線前進.反之,如果它經過壹個下凹的地方 ,則它的路徑呈弧形.同理,天體穿行時空的平坦區域時繼續沿直線前進,而那些穿越彎曲區域的天體將沿彎曲的軌跡前進.
現在再來看看黑洞對於其周圍的時空區域的影響.設想在彈簧床面上放置壹塊質量非常大的石頭代表密度極大的黑洞.自然,石頭將大大地影響床面,不僅會使其表面彎曲下陷,還可能使床面發生斷裂.類似的情形同樣可以宇宙出現,若宇宙中存在黑洞,則該處的宇宙結構將被撕裂.這種時空結構的破裂叫做時空的奇異性或奇點.
現在我們來看看為什麽任何東西都不能從黑洞逃逸出去.正如壹個滾過彈簧床面的網球,會掉進大石頭形成的深洞壹樣,壹個經過黑洞的物體也會被其引力陷阱所捕獲.而且,若要挽救運氣不佳的物體需要無窮大的能量.
我們已經說過,沒有任何能進入黑洞而再逃離它的東西.但科學家認為黑洞會緩慢地釋放其能量.著名的英國物理學家霍金在1974年證明黑洞有壹個不為零的溫度,有壹個比其周圍環境要高壹些的溫度.依照物理學原理,壹切比其周圍溫度高的物體都要釋放出熱量,同樣黑洞也不例外.壹個黑洞會持續幾百萬萬億年散發能量,黑洞釋放能量稱為：霍金輻射.黑洞散盡所有能量就會消失.
處於時間與空間之間的黑洞,使時間放慢腳步,使空間變得有彈性,同時吞進所有經過它的壹切.1969年,美國物理學家約翰 阿提 惠勒將這種貪得無厭的空間命名為“黑洞”.
我們都知道因為黑洞不能反射光,所以看不見.在我們的腦海中黑洞可能是遙遠而又漆黑的.但英國著名物理學家霍金認為黑洞並不如大多數人想象中那樣黑.通過科學家的觀測,黑洞周圍存在輻射,而且很可能來自於黑洞,也就是說,黑洞可能並沒有想象中那樣黑.
霍金指出黑洞的放射性物質來源是壹種實粒子,這些粒子在太空中成對產生,不遵從通常的物理定律.而且這些粒子發生碰撞後,有的就會消失在茫茫太空中.壹般說來,可能直到這些粒子消失時,我們都未曾有機會看到它們.
霍金還指出,黑洞產生的同時,實粒子就會相應成對出現.其中壹個實粒子會被吸進黑洞中,另壹個則會逃逸,壹束逃逸的實粒子看起來就像光子壹樣.對觀察者而言,看到逃逸的實粒子就感覺是看到來自黑洞中的射線壹樣.
所以,引用霍金的話就是“黑洞並沒有想象中的那樣黑”,它實際上還發散出大量的光子.
根據愛因斯坦的能量與質量守恒定律.當物體失去能量時,同時也會失去質量.黑洞同樣遵從能量與質量守恒定律,當黑洞失去能量時,黑洞也就不存在了.霍金預言,黑洞消失的壹瞬間會產生劇烈的爆炸,釋放出的能量相當於數百萬顆氫彈的能量.
但妳不要滿懷期望地擡起頭,以為會看到壹場煙花表演.事實上,黑洞爆炸後,釋放的能量非常大,很有可能對身體是有害的.而且,能量釋放的時間也非常長,有的會超過100億至200億年,比我們宇宙的歷史還長,而徹底散盡能量則需要數萬億年的時間.
近日國際天文學家通過美國宇航局斯皮策太空望遠鏡的壹項最新觀測結果,在宇宙中某壹狹窄區域範圍內,首次同時發現了多達21處卻壹直深度隱藏著的宇宙“類星體”黑洞群.
這壹重大發現第壹次從正面證實了多年來天文學領域有關宇宙中有數目眾多的隱身黑洞廣泛存在的推測.充分的證據使人們相信,在浩瀚的宇宙中,的確充滿著各種各樣未被發
現的巨大引力源泉--"類星體"黑洞群體.有關該項最新發現的詳細內容,研究人員已撰文正式刊登在了2005年8月4日出版的《自然》雜誌中.
“深藏不露”的類星體
我們知道在現實中的宇宙黑洞,由於其巨大的引力作用,連光線都被緊密吸引束縛,因而無法被人們直接觀測發現.為確定黑洞天體存在的證據,天文學家通過研究發現,在黑洞周圍的物質行為具有其特定行為：在黑洞周圍的宇宙空間中,氣體物質具有超高的溫度,並且在被黑洞強大引力場吸引劇烈加速後,這些物質在徹底消失之前均會被提升到接近光速.而當氣體物質被黑洞徹底吞噬後,整個過程都會釋放出大量的X-射線.通常正是這些逃逸出來的X-射線,顯示出此處有黑洞確實存在的跡象.這便是以往人們發現黑洞的最直接證據.
而另壹方面,在壹些格外活躍的超大型宇宙黑洞周圍,由於其對周邊物質劇烈的吸引和吞噬行為,還會在黑洞星體外圍產生壹層厚重的宇宙氣體和塵埃雲層,這便進壹步增大了對黑洞體附近區域的觀測難度,阻礙了天文學家對這些超大黑洞存在的發現工作.天文學上將這些極度活躍的黑洞定義為"類星體".普通情況下,壹個類星體平均壹年總***吞噬的物質質量,相當於1000個中等恒星質量的總和.壹般情況下,這些類星體距離太陽系都非常遙遠,當我們觀測到他們時已經是億萬年以後的現在,這說明此類黑洞的活動出現在宇宙誕生初期.科學家推定,這種黑洞正是在成長壯大中的宇宙星系前身,所以將其命名為"類星體".
到目前為止,只有為數不多的幾個"類星體"黑洞被發現,在浩瀚的宇宙深處,是否還有數量眾多的其它類星體存在,仍有待人們進壹步去發現,而天文學家在該領域的研究工作則完全依靠對宇宙內部X-射線的全面觀測研究來予以證實.
“充滿”了黑洞的宇宙
近日,來自英國牛津大學的阿裏耶-馬丁內茲-聖辛格教授在介紹其首次對宇宙間隱藏黑洞的發現時說,"從以往對宇宙X-射線的觀察研究中,本希望能找到宇宙中大量隱藏類星體存在的證據,但結果確都不盡如人意,令人失望."而近日根據美國宇航局NASA的斯皮策太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)的最新觀察結果,天文學家則成功穿透了遮蔽類星體黑洞的外圍宇宙塵埃雲層,捕捉到了其中壹直暗藏不露的內部黑洞體.由於斯皮策太空望遠鏡能夠有效收集能穿透宇宙塵埃層的紅外光線,使得研究人員順利地在壹個非常狹窄的宇宙空間區域內,同時發現了數量多達21個早已存在卻又"隱藏不露"的類星體黑洞群.
來自美國加州理工大學斯皮策科學中心的研究小組成員馬克-雷斯在接受媒體訪問時同時也表示,“如果我們拋開此次發現的21個宇宙類星體黑洞,放眼宇宙中的其它任何區域,我們完全可以大膽預測,必將有數量眾多隱藏著的黑洞將會被陸續發現.這意味著,壹如我們原先推測的那樣,在不為人知的宇宙深處,壹定有數量眾多、質量超大的黑洞巨無霸,正借助著星際塵埃的隱蔽,在暗地裏不斷發展壯大著.”
黑洞 black hole
壹團物質,如果其引力場強大到足以使時空完全彎曲而圍繞它自身,因而任何東西,甚至連光都無法逃逸,就叫做黑洞.不太多的物質被壓縮到極高密度(例如將地球壓縮到壹粒豌豆大小),或者,極大的壹團較低密度物質(例如幾百萬倍於太陽的質量分布在直徑與太陽系壹樣的球中,大致具有水的密度),都能出現這種情形.
第壹位提出可能存在引力強大到光線不能逃離的'黑洞'的人是皇家學會特別會員約翰·米切爾,他於1783年向皇家學會陳述了這壹見解.米切爾的計算依據是牛頓引力理論和光的微粒理論.前者是當時最好的引力理論.後者則把光設想為有如小型炮彈的微小粒子(現在叫做光子)流.米切爾假定,這些光粒子應該像任何其他物體壹樣受到引力的影響.由於奧利·羅默(Ole Romer)早在100多年前就精確測定了光速.所以米切爾得以計算壹個具有太陽密度的天體必須多大,才能使逃逸速度大於光速.
如果這樣的天體存在,光就不能逃離它們,所以它們應該是黑的.太陽表面的逃逸速度只有光速的0.2%,但如果設想壹系列越來越大但密度與太陽相同的天體,則逃逸速度迅速增高.米切爾指出,直徑為太陽直徑500倍的這樣壹個天體(與太陽系的大小相似),其逃逸速度應該超過光速.
皮埃爾·拉普拉斯(Pierre Laplace)獨立得出並於1796年發表了同樣的結論.米切爾在壹次特具先見之明的評論中指出,雖然這樣的天體是看不見的,但'如果碰巧任何其他發光天體圍繞它們運行,我們也許仍有可能根據這些繞行天體的運動情況推斷中央天體的存在.換言之,米切爾認為,如果黑洞存在於雙星中,那將最容易被發同.但這壹有在黑星的見解在19世紀被遺忘了,直到天文學家認識到黑洞可經由另壹途徑產生,在研討阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論時才重新提起.
第壹次世界大戰時在東部戰線服役的天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)是最先對愛因斯坦理論結論進行分析的人之壹.廣義相對論將引力解釋為時空在物質近旁彎曲的結果.史瓦西計算了球形物體周圍時空幾何特性的嚴格數學模型,將它的計算寄給愛因斯坦,後者於1916年初把它們提交給普魯士科學院.這些計算表明,對'任何'質量者存在壹個臨界半徑,現在稱為史瓦西半徑,它對應時空壹種極端的變形,使得如果質量被擠壓到臨界半徑以內,空間將彎曲到圍繞該物體並將它與宇宙其余部分隔斷開來.它實際上成為了壹個自行其是的獨立的宇宙,任何東西(光也在內)都無法逃離它.
對於太陽史瓦西半徑是公裏對於地球,它等於0.88厘米.這並不意味太陽或地球中心有壹個大小合適現在稱為黑洞(這個名詞是1967年才首次由約翰·惠勒用於這壹含義的東西存在.在離天體中心的這壹距離上,時空沒有任何反常.史瓦西計算表明的是,如果太陽被擠壓進半徑2.9公裏的球內,或者,如果地球被擠壓進半徑僅0.88厘米的球內,它們就將永遠在壹個黑洞內而與外部宇宙隔離.物質仍然可以掉進這樣壹個黑洞但沒東西能夠逃出來.
這些結論被看成純粹數學珍藏品達數十年之久,因為沒有人認為真正的、實在的物體能夠坍縮到形成黑洞所要求的極端密度.1920年代開始了解了白矮星,但即使白矮星也擁有與太陽大致相同的質量而大小卻與地球差不多,其半徑遠遠大於3公裏.人們也未能及時領悟到,如果有大量的壹般密度物質,也可以造出壹個本質上與米切爾和拉普拉斯所想像的相同的黑洞.與任意質量M對應的史瓦西半徑由公式2GM/c2給出,其中G是引力常數.c是光速.
1930年代,薩布拉曼揚·昌德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）證明,即使壹顆白矮星,也僅當其質量小於1.4倍太陽質量時才是穩定的,任何死亡的星如果比這更重,必將進壹步坍縮.有些研究家想到了這也許會導致形成中子星的可能性,中子星的典型半徑僅約白矮星的1/700,也就是幾公裏大小.但這個思想壹直要等到1960年代中期發現脈沖星,證明中子星確實存在之後,才被廣泛接受.
這重新燃起了對黑洞理論的興趣,因為中子星差不多就要變成黑洞了.雖然很難想像將太陽壓縮到半徑2.9公裏以內,但現在已經知道存在質量與太陽相當、半徑小於10公裏的中子星,從中子星到黑洞也就壹步之遙了.
理論研究表明,壹個黑洞的行為僅由其三個特性所規定——它的質量、它的電荷和它的自轉（角動量）.無電荷、無自轉的黑洞用愛因斯坦方程式的史瓦西解描述；有電荷、無自轉的黑洞用賴斯納—諾德斯特羅姆解描述；無電荷、有自轉的黑洞用克爾解描述；有電荷、有自轉的黑洞用克爾—紐曼解描述.黑洞沒有其他特性,這已由‘黑洞沒有毛發’這句名言所概括.現實的黑洞大概應該是自轉而無電荷,所以克爾解最令人感興趣.
現在都認為,黑洞和中子星都是在磊質量恒星發生超新星爆發時的臨死掙紮中產生的.計算表明,任何質量大致小於3倍太陽質量（奧本海默—弗爾科夫極限）的至密超新星遺跡可以形成穩定的中子星,但任何質量大於這壹極限的致密進退新星遺跡將坍縮為黑洞,其內容物將被壓進黑洞中心的奇點,這正好是宇宙由之誕生的大爆炸奇點的鏡像反轉.如果這樣壹個天體碰巧在繞壹顆普通恒星的軌道上,它將剝奪伴星的物質,形成壹個由向黑洞匯集的熱物質構成的吸積盤.吸積盤中的溫度可以升至極高,以致它能輻射X射線,而使黑洞可被探測到.
1970年代初,米切爾的預言有了反響：在壹個雙星系統中發現了這樣壹種天體.壹個叫做天鵝座X—1的X射線源被證認為恒星HDE226868.這個系統的軌道動力學特性表明,該源的X射線來自圍繞可見星軌道上壹個比地球小的天體,但源的質量卻大於奧本海默—弗爾科夫極限.這只可能是壹個黑洞.此後,用同壹方法又證認了其他少數幾個黑洞.而1994年天鵝座V404這個系統成為迄今最佳黑洞‘候選體’,這是壹個質量為太陽質量70%的恒星圍繞大約12倍太陽質量的X射線源運動的系統.但是,這些已被認可的黑洞證認大概不過是冰山之尖而已.
這種‘恒星質量’黑洞,正如米切爾領悟的,只有當它們在雙星系統中時才能探測到.壹個孤立的黑洞無愧於它的名稱——它是黑暗的、不可探測的.然而,根據天體物理學理論,很多恒星應該以中子星或黑洞作為其生命的結束.觀測者在雙星系統中實際上探測到的合適黑洞候選者差不多與他們發現的脈沖雙星壹樣多,這表示孤立的恒星質量黑洞數目應該與孤立的脈沖星數目相同,這壹推測得到了理論計算的支持. 我們銀河系中現在已知大約500個活動的脈沖星.但理論表明,壹個脈沖星作為射電源的活動期是很短的,它很快衰竭成無法探測的寧靜狀態.所以,相應地我們周圍應該存在更多的‘死’脈沖星（寧靜中子星）.我們的銀河指法含有1000億顆明亮的恒星,而且已經存在了數十億年之久.最佳的估計是,我們銀河指法今天含有4億個死脈沖星,而恒星質量黑洞數量的甚至保守估計也達到這壹數字的?——1億個.如果真有這麽多黑洞,而黑洞又無規則地散布在銀河系中的話,則最近的壹個黑洞也離我們僅僅15光年.既然我們銀河系沒有什麽獨特之處,那麽宇宙中每個其他的星系也應該含有同樣多的黑洞.Ic
星系也可能含有某種很像米切爾的拉普拉斯最初設想的‘黑星’的天體.這樣的天體現在稱為‘特大質量黑洞’,被認為存在於活動星系和類星體的中心,它們提供的引力能可能解釋這些天體的巨大能量來源.壹個大小如太陽系、質量數百萬倍於太陽質量的黑洞,可以從周圍每年食掉壹到兩顆恒星的物質.在這個過程中,很大壹部分恒星質量將遵照愛因斯坦分工E=mc2轉變成能量.寧靜的超大質量黑洞可能存在於包括我們銀河系在內的所有星系星系的中心.
1994年,利用哈勃空間望遠鏡,在離我們銀河系1500萬秒差距的星系M87中,發現了壹個大小約15萬秒差距的熱物質盤,在繞該星系中心區運動,速率達到約2百萬公裏每小時（約5*10-7 5乘於10的7次方,厘米/秒,幾乎是光速的0.2%）.從M87的中心‘引擎’射出壹條長度超過1千秒差距的氣體噴流.M87中心吸積盤中的軌道速率決定性地證明,它是壹個擁有30億倍太陽質量的超大質量黑洞引力控制之下,噴流則可解釋為從吸積系統的壹個極區湧出來的能量.
也是在1994年,牛津大學和基爾大學的天文學家,在稱為天鵝座V404的雙星系統中證認了壹個恒星質量黑洞.我們已經指出,該系統的軌道參數使他們得以給黑洞準確‘量體重’,得出黑洞質量約為太陽的12倍,而圍繞它運動的普通恒星僅有太陽質量的70%左右.這是迄今對‘黑星’質量有最精確測量,因而它也是關於黑洞存在的最佳的、獨特的證明.
有人推測,大爆炸中可能已經產生了大量的微黑洞或原始黑洞,它們提供了宇宙質量的相當大部分.這種微黑洞典型大小同壹個原子相當,質量大概是1億噸（10-11, 10的11次方千克）.沒有證據表示這種天體確實存在,但也很難證明它們不存在.