淺談黑洞那些事兒

◇ 北京 楊艷霞 劉亞英

1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論．該理論預言了黑洞的存在，并開啟了人類對黑洞的不斷探索．就在剛剛過去的2019年里,科學家公布了首張黑洞照片,發現了目前為止具有最大質量的恒星級黑洞和最小質量的黑洞．我們知道,黑洞是一種引力極大的天體,會吞噬其周圍的任何物質,甚至連速度最快的光子都無法逃離．那么黑洞是如何形成的呢?黑洞完全不發射和反射光,我們又該如何觀測它呢?黑洞距離地球如此之遠,其質量又是如何計算出來的呢?下面我們來談談這種神秘天體．

1 黑洞的形成

圖1 黑洞示意圖

恒星級黑洞在最初的時候其實是一顆衰老的巨大恒星,而且只有那些質量達到數十倍太陽質量以上的恒星在衰老死亡時才有可能發生引力坍縮并成為黑洞．恒星發光發熱靠的是其內部的核聚變,當聚變反應耗盡其內部“燃料”時,所產生的能量無法抵抗自身物質向內的引力,便會發生坍縮．最終,所有的物質縮成一個體積無窮小、密度無窮大的點,我們稱其為奇點．在奇點處時空出現奇異性,所以很多時候我們也將該點排除到時空之外．光在遠離黑洞的位置,可以自由穿梭,照亮它所經過的地方,并且可以傳到無窮遠處,使得我們可以看到這些地方．然而,當光靠近黑洞時,受到的引力越來越大,時空的極度彎曲讓光線偏折從而無法到達無窮遠,只能掉進奇點．因此,奇點周圍會有一塊黑暗的區域,該區域的邊界叫作“事件視界”,如圖1．事件視界就像一堵無形的墻,把時空分成了黑洞內和黑洞外兩部分,每個黑洞都可以看成一個獨立的世界,在這個世界里,時空高度扭曲,物質只進不出．

2 黑洞的“真容”

圖2 首張黑洞照片

黑洞的引力如此之大，以至于連光都無法逃脫,那么我們該如何獲得有關黑洞的信息呢? 為了得到黑洞的照片,包括我國科學家在內的200多位科學家,通過甚長基線干涉技術(VLBI),把分布在全球不同地區的8個射電望遠鏡聯合起來,模擬出口徑和地球直徑相當的望遠鏡——事件視界望遠鏡,對目標天體進行觀察．該望遠鏡于2017年拍攝了首張黑洞照片,并通過后期的數據處理和分析,在2019年4月發布了人類首張黑洞照片,如圖2．這個黑洞處于一個代號為M87的星系中心,質量大約是太陽質量的65億倍,距離地球大約5 500萬光年,因此照片上是它5000多萬年以前的樣子．從照片容易看出該黑洞的核心區域有一個陰影,周圍有一個明亮的新月狀光環結構．愛因斯坦曾在其廣義相對論中預言黑洞有一個“影子”,其半徑大約比黑洞視界半徑大2倍．此次觀測到的黑洞陰影和愛因斯坦的預言基本一致,這不僅證明了愛因斯坦預言的正確性,也為將來揭開與黑洞相關的諸多謎題奠定了基礎．

3 黑洞的質量

據理論推算,銀河系中質量為恒星量級的黑洞就有上千萬個．天文學家根據質量的不同將宇宙中的黑洞分成恒星級質量黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞三類．恒星級黑洞是大質量恒星死亡時形成的,在宇宙中比較常見．理論上來說,由恒星形成的黑洞,其質量不能小于3倍太陽質量(即奧本海默極限)．一般發現的黑洞質量大多為7～8倍的太陽質量.接下來我們談談2019年新發現的質量最小的黑洞和質量最大的恒星級黑洞．

3.1 刷新質量下限,科學家發現迄今最小質量黑洞

2019年11月,美國俄亥俄州立大學的研究人員發現了一顆質量僅為3.3倍太陽質量的新型小質量黑洞,比已觀測到的黑洞質量的下限降低了約三分之一．科學家發現的這個質量最小黑洞來源于一個“雙星”系統．所謂雙星是指兩個天體在它們相互的萬有引力作用下,繞兩顆星連線的某一點做圓周運動的系統．我們知道黑洞的巨大引力使得其周圍一定范圍內的光子都無法逃逸出去,因此用光學觀測手段無法看見黑洞．但值得慶幸的是,黑洞和恒星可以組成一個雙星系統,恒星因受黑洞的引力吸引而做圓周運動．這樣的話,只要找到一顆看不見其伴星,但運動規律符合雙星運動規律的恒星,就可以初步判斷出其“伴星”是一個黑洞,通過對恒星軌道的觀測和計算,還可以確定這個黑洞的質量．研究人員此次對黑洞的觀察就是基于這個理論,從尋找雙星系統的角度出發,通過觀察發現一顆紅巨星看上去好像是在圍繞另一個“看不見的”恒星轉動,并且其質量似乎比已知黑洞要小得多,而比最大的中子星更大．進一步分析計算發現,這個黑洞的質量大約是太陽質量的3.3倍．此前科學家確認的黑洞質量至少達到5倍的太陽質量,而中子星質量一般不會比2.1倍太陽質量更大．對于質量處于中子星與黑洞之間的天體,科學家尚無確切了解．這顆小質量黑洞的發現,有利于人們更深刻地理解黑洞的形成和恒星的生命歷程．

3.2 突破質量上限,發現迄今最大質量恒星級黑洞

2019年11月底,我國天文學家劉繼峰等研究人員公布了其發現的到目前為止質量最大的恒星級黑洞(LB-1)的研究成果,該黑洞是利用郭守敬望遠鏡(LAMOST)發現的,質量大約是太陽質量的70倍,比理論預言的質量上限要大很多．

由于黑洞本身并不發光,人們不能直接觀測到黑洞．但是,它的強大引力會對附近天體的運動產生一定的影響．比如說,物質在落向黑洞而未到達其視界時,會釋放出高能X射線或者γ射線,這會為搜尋黑洞提供非常重要的線索．2019年以前,科學家已經通過這種方法在銀河系中發現了約20顆恒星級黑洞,它們的質量均小于20倍太陽質量．但在黑洞雙星系統中,能夠發出射線輻射的只占一小部分．只要我們想辦法獲取恒星的大量光譜,就可以根據光譜中譜線的移動來揭示恒星的運動．而我國自主研制的目前世界上光譜獲取率最高的設備LAMOST,可以同時觀測近4 000個天體．我國研究團隊利用LAMOST,從2016年秋季開始,用兩年時間監測了一個小天區內3 000多顆恒星．最后在一個不輻射射線的雙星系統(LB-1)中,發現一顆質量為8倍太陽質量的恒星圍繞一個“看不見的天體”做圓周運動.研究團隊通過研究其不同尋常的光譜特征,猜測那個“看不見的天體”很有可能是一顆黑洞．然后通過進一步的觀測計算出該黑洞的質量大約為太陽的70倍,是迄今為止發現的質量最大的恒星級黑洞,遠遠超過理論所預言的質量上限．這或許會改寫有關恒星級黑洞形成的理論．

對于黑洞的研究,科學家從預測到驗證,從聽見到看見,不斷有新的發現、新的突破,但是關于黑洞仍有許多未解之謎．研究黑洞,可以加深人類對宇宙乃至生命萬物的理解．