“身臨其境”探黑洞

張唯誠

假如你可以“接近”一個黑洞，會發生什么有趣的現象呢？首先，你會發現引力會越來越強，這并沒有什么特別之處，因為接近地球和太陽也是如此。然而每個黑洞都有一個“邊界”（被稱為“事件視界”），它是一個包圍著黑洞的看不見的球形邊界。假如你是腳先進入這個“邊界”，你就有可能看到一件奇怪的事，由于你的下半身獲得了更強的引力，你的腳被無形的力量拉離開你的身體。這就是物理學家們所稱的“意大利面化”現象，也就是說，你的整個身體會被拉得像一根面條了。最后，事情會變得更加不可思議，從理論上說，所有進入黑洞中心的東西都會變成一個“奇點”。

當然，你不必真的去“身臨其境”了解黑洞這種奇異的宇宙現象。幾十年來，科學家們已經知道了有關黑洞的很多秘密，尤其是最近一段時間，他們更是發現了一些令人驚訝的事實。這些發現有助于我們更好地理解宇宙的形成和演化。

黑洞“小不點”與“巨無霸”

絕大多數黑洞都是一顆巨大恒星的“變身”，這種大恒星至少比太陽大10倍，當它們耗完了自身的燃料就會“坍塌”，收縮再收縮，直到變成一個很小的黑點——“恒星質量黑洞”。雖然這時的它已比當初的那顆恒星小多了，但它擁有的質量和引力卻和原恒星是一樣的。

通常情況下，一個星系大約會包含有1億個這樣的黑洞。天文學家們估計，宇宙大約每秒鐘就會產生一個新的黑洞。但小恒星或者中等大小的恒星，例如像太陽那般大小的恒星就不會形成黑洞，當它們耗完了自身的燃料，就會變成一個行星大小的白矮星。

“恒星質量黑洞”是宇宙中最普通的黑洞，它們只是黑洞家族中的“小不點”，在黑洞譜系的另一端自然就是黑洞中的“巨無霸”了，它們被稱為“超大質量黑洞”。這種黑洞可能擁有100萬甚至10億顆恒星的質量，就目前所知，它們是宇宙中力量最為強大的天體。它們控制著由幾百萬顆、幾十億顆乃至更多恒星組成的星系。大約40年前，天文學家們發現了一個控制著銀河系的“超大質量黑洞”，它就是人馬座A*。

黑洞并不只是質量巨大，它的密度也非常大，大到你將整個地球都裝進去，才有頂針大小。在宇宙中，一個只有一座城市大小的黑洞就可以擁有和太陽一樣大的質量和引力，就可以控制太陽系中的八大行星，當然也包括太陽系中其他所有的天體。

如何看到黑洞

任何東西都無法逃離黑洞，包括可見光、X射線、紅外光、微波，以及其他任何形式的輻射，所以黑洞是無法看到的。天文學家只能間接地“觀測”黑洞，他們的辦法是研究黑洞與周圍的環境如何發生關系。例如黑洞時常釋放一道非常強大的噴流，這道噴流由氣體和輻射組成，非常明亮，能被望遠鏡觀測到。美國斯坦福大學的天文學家朱莉·拉龍多和她的同事們正使用美國宇航局錢德拉太空望遠鏡的觀測數據研究18個大型黑洞發出的噴流，這些噴流如此之強，以至于其延伸的范圍輕易地就能超越整個星系。

通過噴流的大小來估計黑洞的大小，科學家們有了驚人的發現。2012年12月，拉龍多等人報告說，有些黑洞是如此巨大，乃至于“超大質量”不足以形容，而是應該用“極大質量”來表述。這種黑洞所擁有的質量可能超過太陽質量的100億到400億倍，而在幾年前，人們還沒有發現質量超過太陽100億倍的黑洞。

關于黑洞的“雞與蛋”問題

關于黑洞質量的發現讓天文學家們對宇宙的演化產生了新的疑問：假如一個黑洞的質量可以達到太陽質量的400億倍，那么它們超強的引力便不是僅僅控制一個星系了，它們應該足以控制整個星系團或者星系群。這樣大的質量必須在黑洞形成后的多少億年里經過積累才能獲得，但黑洞是如何做到這一點的呢？

另外一個難解之謎是黑洞和群星的關系，宇宙中是先有黑洞還是先有群星？這個問題就像是先有雞還是先有蛋一樣令人困惑。大約兩年前，美國科學家利用哈勃太空望遠鏡研究了一個名為NGC 1277的星系，這個星系距地球超過2.2億光年，大小為2.5萬光年，只相當于銀河系的1/4，其質量也只相當于銀河系恒星總質量的14%。但科學家們卻在它的中心發現了一個極大的黑洞，人們估計，這個黑洞的質量是銀河系黑洞人馬座A*質量的4000倍以上。

這讓天文學家們感到非常費解，因為這個黑洞相對于它所在的星系顯得太大了。科學家們通常相信，黑洞和星系是相伴著演化的，要么共同成長，要么同時停止成長。新的發現則暗示，這個黑洞要么是通過吞噬附近的恒星和其他黑洞一直在成長，要么它一誕生就是一個“大塊頭”，只有這樣才能解釋這個星系和黑洞之間奇怪的“不相稱”現象。究竟是哪種情況呢？要破解這個秘密，科學家們只有等待更多的發現。他們希望知道，宇宙中是否還有其他這樣的星系，或者是在一個很大的星系中心是否會存在著一個相對很小的黑洞。

黑洞并不“貪吃”

許多人認為，黑洞會像一個宇宙“吸塵器”，不斷地將周圍的一切都吸進去，然而真實的情況并非如此，黑洞只是“乖乖地”待在那里，除非有什么東西離它太近才會掉進去。

2010年5月，在夏威夷的一架望遠鏡捕捉到一個來自遙遠星系的閃光，這道閃光最亮的時候發生在7月，然后逐漸暗了下去。一個由天文學家組成的研究小組鑒定了那束閃光的性質：一顆恒星在經過一個黑洞附近時被黑洞撕扯得破裂開來，破裂的殘骸墜落到黑洞中，由于這個過程產生了非常高的溫度，因此發出了耀目的閃光。由此看來，即使是看不見的黑洞，當它們在“吃掉”一顆恒星時也是能夠表演“閃光秀”的。

黑洞是宇宙中最極端的天體，天文學家們還在繼續尋找更多具有極端特征的黑洞，包括最大、最小或者最怪異的黑洞。接下來，更多的觀察將幫助人們理清黑洞和恒星、星系以及星系群之間的復雜關系，這將有助于揭示宇宙天體的秘密：它們如何形成，如何演化，如何相互影響……

【責任編輯】龐 云endprint