黑洞，時空彎曲的神秘漩渦

*袁 峰

黑洞，時空彎曲的神秘漩渦

*袁 峰

2010年11月16日凌晨1時30分，美國國家航空航天局（NASA）宣布該局發射的“錢德拉”X射線太空望遠鏡發現了一個黑洞。這個質量大約是太陽的5倍，由一顆質量大約20倍于太陽的恒星發生超新星爆炸形成的黑洞，其特別之處在于：它是人類歷史上發現的最年輕的黑洞，僅僅31歲。

這是人類歷史上首次目睹黑洞的誕生，這個發現有望為科學家研究黑洞如何從“嬰兒”狀態開始演化提供獨一無二的機會。

黑洞，就像是宇宙中的一個怪物，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，而可以去更遠的外太空自由翱翔，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。

廣義相對論預言的黑洞由兩個基本結構組成：黑洞中心是一個“奇點”，所有的物質都集中在這個點上，密度因而是無限大。當然，現代科學認為，廣義相對論本身還不是終極理論，還需要發展，具體來說是要與量子力學結合。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”。一旦進入視

什么是黑洞

界，所有的物體，包括光，都無法逃脫。不同質量的黑洞，其視界的大小是不一樣的。

若黑洞的質量相當于地球質量，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公里的小球體。

宇宙天體的興衰

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

恒星之所以能夠生活，是因為恒星內部熱核反應加熱氣體產生的膨脹壓力在對抗使其向內收縮的萬有引力。等到核燃料逐漸耗盡的時候，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，恒星也就開始衰老，瀕臨死亡了。

下一步的命運取決于原初恒星的質量。若原先的恒星質量較小，小于10倍太陽質量，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，但是溫度非常高，所以顏色很“白”。再加上這種星體體積很小，即“很矮”，所以叫做白矮星。

若原初恒星的質量大于10倍太陽質量但小于20倍太陽質量，引力就會更強一些，這時恒星會進一步塌縮。這時另一種力——“中子簡并壓力”出現并與引力達到平衡，星體停止塌縮。這時形成的星體叫做“中子星”，它的半徑只有10公里，但是質量卻達到太陽質量的兩倍！

若原初恒星的質量高于20倍太陽質量，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地塌縮下去，變成一個黑洞！這次發現的黑洞，其前身星正是一個大約20倍太陽質量的恒星！

對于質量大于20倍太陽質量的恒星來說，其演化的最終結局雖然都是黑洞，但卻有兩種截然不同的具體表現：一是超新星爆發，二是伽馬射線暴。前者較“溫和”，即這些能量是在較長的時間里爆發，而后者非常劇烈，在極短時間里——從不到一秒到幾百秒——就發出巨大的能量。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現象，是上世紀60年代才偶然發現的比較新的天文現象，關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。

首次看到黑洞誕生

這次美國航空航天局宣布的發現意義之所以重大，原因就在于我們人類歷史上首次看到了黑洞的誕生以及“嬰兒期”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年其原初恒星開始爆發，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，并進而推斷星系、宇宙中黑洞的分布以及有關的天體物理研究無疑將有重要幫助。

同時，天文學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、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，首先是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到的，而這些恰恰對于我們驗證物理學的基礎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、高能量現象都是跟黑洞聯系在一起的，比如伽馬射線暴、活動星系核（指的是星系中心的質量超過太陽質量百萬倍以上的超大質量黑洞）等，故研究黑洞能直接幫助我們揭開這些現象的神秘面紗。第三，最近的研究發現，黑洞與其他的一些人們感興趣的問題緊密相關，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。

（徐春燕摘自《文匯報》，本刊有刪節）