*袁 峰

黑洞，時(shí)空彎曲的神秘漩渦

*袁 峰

2010年11月16日凌晨1時(shí)30分，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）宣布該局發(fā)射的“錢德拉”X射線太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)黑洞。這個(gè)質(zhì)量大約是太陽(yáng)的5倍，由一顆質(zhì)量大約20倍于太陽(yáng)的恒星發(fā)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(fā)現(xiàn)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(gè)發(fā)現(xiàn)有望為科學(xué)家研究黑洞如何從“嬰兒”狀態(tài)開(kāi)始演化提供獨(dú)一無(wú)二的機(jī)會(huì)。

黑洞，就像是宇宙中的一個(gè)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(shuō)起。

從星體表面發(fā)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(gè)臨界速度。只要比這個(gè)速度快，物體就能不再掉落到星體上，或繞著它旋轉(zhuǎn)，而可以去更遠(yuǎn)的外太空自由翱翔，故而這個(gè)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(yáng)表面的引力比地球強(qiáng)很多，因此太陽(yáng)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(qiáng)，以至于逃逸速度等于光速——宇宙中最快的速度，此時(shí)任何物體，甚至是光子本身，都無(wú)法逃脫該物體的“引力魔掌”——這個(gè)物體就是黑洞。

廣義相對(duì)論預(yù)言的黑洞由兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)組成：黑洞中心是一個(gè)“奇點(diǎn)”，所有的物質(zhì)都集中在這個(gè)點(diǎn)上，密度因而是無(wú)限大。當(dāng)然，現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為，廣義相對(duì)論本身還不是終極理論，還需要發(fā)展，具體來(lái)說(shuō)是要與量子力學(xué)結(jié)合。這樣的話，奇點(diǎn)將不再是個(gè)沒(méi)有體積的點(diǎn)了。奇點(diǎn)之外，黑洞存在一個(gè)“表面”，叫“視界”，這也是黑洞的“半徑”。視界可以看作是黑洞的“勢(shì)力范圍”。一旦進(jìn)入視

什么是黑洞

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

若黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于地球質(zhì)量，則視界只有2.5厘米。也就是說(shuō)，地球要變成一個(gè)黑洞的話，必須縮小為乒乓球大小才可以。若太陽(yáng)變成一個(gè)黑洞，則要從目前的70萬(wàn)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(huì)經(jīng)歷誕生、成長(zhǎng)、衰老和死亡。廣義相對(duì)論預(yù)言，黑洞就是大質(zhì)量恒星死亡以后的“殘骸”。具體來(lái)說(shuō)，黑洞是質(zhì)量大于20倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星死亡以后形成的。

恒星之所以能夠生活，是因?yàn)楹阈莾?nèi)部熱核反應(yīng)加熱氣體產(chǎn)生的膨脹壓力在對(duì)抗使其向內(nèi)收縮的萬(wàn)有引力。等到核燃料逐漸耗盡的時(shí)候，氣體就會(huì)很快冷卻下來(lái)，與引力相抗衡的氣體壓力因而就會(huì)大大減小。于是，恒星在強(qiáng)大的萬(wàn)有引力作用下會(huì)迅速向中心塌縮，體積迅速縮小，恒星也就開(kāi)始衰老，瀕臨死亡了。

下一步的命運(yùn)取決于原初恒星的質(zhì)量。若原先的恒星質(zhì)量較小，小于10倍太陽(yáng)質(zhì)量，則恒星縮小到一定程度后，一種叫做“電子簡(jiǎn)并壓”的力能夠與引力抗衡，星體于是停止塌縮。這時(shí)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(zhì)，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(zhì)量大于10倍太陽(yáng)質(zhì)量但小于20倍太陽(yáng)質(zhì)量，引力就會(huì)更強(qiáng)一些，這時(shí)恒星會(huì)進(jìn)一步塌縮。這時(shí)另一種力——“中子簡(jiǎn)并壓力”出現(xiàn)并與引力達(dá)到平衡，星體停止塌縮。這時(shí)形成的星體叫做“中子星”，它的半徑只有10公里，但是質(zhì)量卻達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的兩倍！

若原初恒星的質(zhì)量高于20倍太陽(yáng)質(zhì)量，引力會(huì)非常強(qiáng)，即使是中子簡(jiǎn)并壓力也無(wú)法與之平衡，于是恒星只能無(wú)限制地塌縮下去，變成一個(gè)黑洞！這次發(fā)現(xiàn)的黑洞，其前身星正是一個(gè)大約20倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星！

對(duì)于質(zhì)量大于20倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星來(lái)說(shuō)，其演化的最終結(jié)局雖然都是黑洞，但卻有兩種截然不同的具體表現(xiàn)：一是超新星爆發(fā)，二是伽馬射線暴。前者較“溫和”，即這些能量是在較長(zhǎng)的時(shí)間里爆發(fā)，而后者非常劇烈，在極短時(shí)間里——從不到一秒到幾百秒——就發(fā)出巨大的能量。伽馬射線暴是宇宙自誕生以來(lái)我們目前所知道的最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象，是上世紀(jì)60年代才偶然發(fā)現(xiàn)的比較新的天文現(xiàn)象，關(guān)于它的起因仍是一個(gè)謎，因此是目前天體物理研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

首次看到黑洞誕生

這次美國(guó)航空航天局宣布的發(fā)現(xiàn)意義之所以重大，原因就在于我們?nèi)祟悮v史上首次看到了黑洞的誕生以及“嬰兒期”演化的整個(gè)過(guò)程。而且由于這個(gè)黑洞距離我們非常近，只有5000萬(wàn)光年，更為資料積累提供了便利。從1979年其原初恒星開(kāi)始爆發(fā)，一直到今天的31年時(shí)間里，我們都有對(duì)這個(gè)黑洞的詳盡的觀測(cè)資料。這對(duì)于驗(yàn)證我們的恒星演化和黑洞形成理論，并進(jìn)而推斷星系、宇宙中黑洞的分布以及有關(guān)的天體物理研究無(wú)疑將有重要幫助。

同時(shí)，天文學(xué)家之所以對(duì)黑洞那么有興趣，還有很多原因。目前，國(guó)際上的天體物理研究熱點(diǎn)，有“一黑、兩暗、三起源”的說(shuō)法，“一黑”指的就是黑洞（“兩暗”是指暗物質(zhì)、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?yàn)楹诙粗車O強(qiáng)，由此引起的吸積盤中的氣體的其他物理性質(zhì)也都非常極端，如超高溫、高壓、超強(qiáng)磁場(chǎng)等等，這些極端的條件是地球上的實(shí)驗(yàn)室無(wú)法達(dá)到的，而這些恰恰對(duì)于我們驗(yàn)證物理學(xué)的基礎(chǔ)性理論如廣義相對(duì)論等可以說(shuō)起著舉足輕重的作用。其次，宇宙中大部分有趣的劇烈爆發(fā)、高能量現(xiàn)象都是跟黑洞聯(lián)系在一起的，比如伽馬射線暴、活動(dòng)星系核（指的是星系中心的質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量百萬(wàn)倍以上的超大質(zhì)量黑洞）等，故研究黑洞能直接幫助我們揭開(kāi)這些現(xiàn)象的神秘面紗。第三，最近的研究發(fā)現(xiàn)，黑洞與其他的一些人們感興趣的問(wèn)題緊密相關(guān)，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(bào)》，本刊有刪節(jié)）