□ 劉 茜

黑洞：閃亮斗篷下的隱形人

□ 劉 茜

成年星系中心的超大質(zhì)量黑洞

當我們的先輩在數(shù)千年前開始觀察和記錄星空的時候，毫無疑問的，他們只關(guān)心夜空中那些發(fā)亮的部分。日升月落，斗轉(zhuǎn)星移，鑲嵌在暗黑天幕上的那些光點，有的似乎從不改變相互間的位置——這是恒星；有的則在恒星間沿著黃道兩側(cè)向前運行——這是行星；還有些倏然而來、忽焉而去——這是彗星和流星。很長一段時間里，人們一直以為太陽系外的宇宙就是由空無一物的黑暗虛空和點綴其間的明亮恒星構(gòu)成的。直到20世紀，天文學家才相信宇宙間真的還有這樣一類奇特的天體：它們不發(fā)光，還會吞沒離自己太近的光線；它們本身幾乎不發(fā)出任何信息，一切落入它們的信息也隨即石沉大海，仿佛和我們玩著捉迷藏的游戲。天文學家一開始只是從理論上推測到它的存在，然后不得不像最精明的偵探那樣，小心翼翼地排查著一切蛛絲馬跡，來搜尋它們的蹤影……

我們把這樣的天體叫做黑洞。

恒星演化形成致密天體

“黑洞”這個名字，其實并非特別貼切，往往容易讓人望文生義而產(chǎn)生誤解。實際上它未必黑，也絕不是一個洞。和恒星、星云等天體完全不一樣的是，黑洞并不是以實在的物質(zhì)形式存在的，它是一個時空區(qū)域，由它表面的視界與我們所處的這個時空相隔離。雖然現(xiàn)在實際觀測到的黑洞（或嚴格來講，黑洞候選者）絕大多數(shù)都是超大質(zhì)量的星系級黑洞，但最初天文學家推測它的存在方式和物理性質(zhì)的時候，都是從恒星的層級去考慮的。所以要理解一個黑洞的模樣，還得先從恒星的死亡講起。

在某種程度上，恒星演化結(jié)局的不同體現(xiàn)為最終密度的不同，而這是由它們原本的質(zhì)量大小決定的。大致說來，質(zhì)量越大的恒星，在生命的盡頭將會演化為越致密的天體。

設(shè)想一下幾十億年后的太陽。屆時它將逼近生命的盡頭，軀體膨脹到原本的幾十萬倍，成為一顆紅巨星，就像我們現(xiàn)在看到的大角星（牧夫座α）和畢宿五（金牛座α）一樣。太陽將在紅巨星的階段停留幾百萬年，這個過程中它的表面相對平靜，只是不停地有氣體流失到宇宙中。而在這平靜的表面下，它遙遠的中心有一個翻天覆地的變化正在醞釀。

年輕星系中心的巨大黑洞

在紅巨星階段，恒星中心的氫元素已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化成了氦元素，在中心部分形成了一個氦球。氫元素聚集在氦球的表面，繼續(xù)發(fā)生核反應，讓氦球的質(zhì)量不斷增加。氦球由于自身的引力而不斷收縮，溫度和密度都越來越高，最終在大約一億度的溫度下點燃了中心的氦元素。這時的氦球非常致密，氦燃燒產(chǎn)生的能量無法通過氣體的膨脹來傳遞出去，于是氦球內(nèi)部溫度急劇升高，使得核反應猛烈進行，在一分鐘的時間內(nèi)把所有的氦燃燒殆盡，轉(zhuǎn)變?yōu)樘忌踔梁罄m(xù)的氧元素。這個短暫的猛烈燃燒過程被稱為“氦閃”，它讓恒星重新開始明亮起來，但這并不能持久。氦元素聚變的時間比氫聚變短得多，不能抵抗恒星質(zhì)量產(chǎn)生的向內(nèi)的引力，恒星的核只好向內(nèi)塌縮。與此同時，原子的自由被巨大的壓力逐漸剝奪。它們的活動空間越來越小，彼此間的距離也越來越近。

白矮星和地球的大小比較

最終，原子再也無法維持原本的大小。曾經(jīng)圍繞著原子核運行的電子現(xiàn)在脫離了原子核，成為自由電子。原子核們彼此靠近，摩肩接踵，整齊地排列在自由電子的海洋中，自由電子見縫插針地在原子核之間的縫隙里流動。天文學上把這種狀態(tài)叫做“電子簡并態(tài)”。恒星達到非常大的密度，相當于把一整個太陽的質(zhì)量壓縮到地球的大小，靠電子和電子之間的不相容斥力來抵抗引力。這樣的結(jié)局，就是恒星的第一種歸宿：白矮星。

質(zhì)量更大的恒星不會經(jīng)歷白矮星階段。它們的氦核更大，點燃得更早，在密度更小的時候就開始燃燒。氦聚變成為碳，接下來生成氧，只要質(zhì)量足夠大，恒星就會向更重的元素索取能量。最后的恒星核就像洋蔥一樣，由一層層不同元素形成的殼包裹著，氫在最外層的表面上，越向里的元素越重，最終的中心將是一個鐵-鎳元素形成的核。這種質(zhì)量的核產(chǎn)生的自身引力是電子簡并態(tài)所無法抵抗的，于是，電子被巨大的壓力擠進原子核，帶正電的原子核和帶負電的電子中和，原子核里的質(zhì)子全部變成了中子。自由電子的海洋消失了，原子核也隨之瓦解，取而代之的是一個個整齊排列的中子，你也可以把它想象成一個超級巨大的、不帶電的原子核。這個“大原子核”的密度最高可以達到每立方厘米20億噸，把兩個太陽的質(zhì)量壓縮到了一個直徑不到10千米的球，靠中子和中子之間的不相容斥力來抵抗引力。這就是恒星的第二種歸宿：中子星。

質(zhì)量最大的那些恒星會走到第三種結(jié)局，星核的引力大到連中子的密度都無法抵抗，不得不繼續(xù)塌縮。于是連中子都無法在這樣的壓力下存在，基本粒子瓦解，“物質(zhì)”從這一瞬間開始不再以我們通常認知的形式存在，“密度”這個概念在這里也失去了意義。恒星剩余的所有質(zhì)量被聚集到了一個叫做“奇（qí）點”的微小區(qū)域里，比原子核還要小一萬億億倍。最后出現(xiàn)的天體不再是一個實體的存在，而是一個具有奇異性質(zhì)的時空范圍。原本恒星的外層氣體，有的早在這之前就已彌散在宇宙中，有的卻會在一瞬間被這個奇特的天體一口吞掉，大量的能量在幾秒鐘之內(nèi)釋放出來，形成一次爆發(fā)。

于是，這顆恒星就變成了一個黑洞。

閃亮斗篷下的隱形人

黑洞到底是什么？本質(zhì)上說，它是所有不能離開奇點——也就是它的中心——足夠遠的事件的集合。所以黑洞的表面，也就是邊界，被天文學家稱為“事件視界”。事件視界是由所有剛好不能擺脫黑洞的光線組成的，在它之內(nèi)的任何事件和物質(zhì)都不能穿過視界來到黑洞之外。一切落入黑洞的物質(zhì)，都無法再以本來的形式回到我們現(xiàn)在的時空，這就是這一類天體被稱為“黑洞”的原因。

從恒星演化而來的黑洞質(zhì)量通常是太陽的幾倍到幾十倍——原本的那顆恒星質(zhì)量可以達到太陽的一百多倍，但在演化過程中丟失了一部分。更大的那些位于星系中心的黑洞則至少是太陽質(zhì)量的幾十萬、幾百萬倍。天文學家至今還沒能明白，為什么從來沒能發(fā)現(xiàn)介于這兩者之間的中等黑洞。

黑洞的質(zhì)量決定了它的引力半徑，兩者是成正比的，質(zhì)量是太陽的多少倍，引力半徑就是2.95千米的多少倍（這里的“半徑”是從位于黑洞外的我們的角度來看，在黑洞內(nèi)部，空間混沌而扭曲，長度和距離都失去了意義）。我們知道，天體產(chǎn)生的表面引力和它的質(zhì)量成正比，和它的半徑成平方反比，因此，質(zhì)量越大的黑洞，它表面附近的引力反而越小。

除了質(zhì)量之外，黑洞還有一個物理特征是自轉(zhuǎn)。并且黑洞的自轉(zhuǎn)往往非?？欤粋€幾千萬太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，自轉(zhuǎn)周期可以僅僅只有兩小時。這一方面是因為黑洞本來就是在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的，半徑比起原來縮小了上萬倍，就好像花樣滑冰選手在三周跳前要把伸展的手臂縮回胸前一樣，黑洞在半徑縮小的同時旋轉(zhuǎn)也會加快；另一方面是因為黑洞不斷地吞噬著周圍的物質(zhì)，落向它的物質(zhì)在接近黑洞表面的時候幾乎都是以接近光速的高速在繞著它旋轉(zhuǎn)，為它不斷地增添著角動量。

黑洞（左上角）強大的引力捕捉到了伴星吹出的星風。

作為一類天體，黑洞是非常獨特的，但具體到某一個黑洞，它們就常常表現(xiàn)得很沒個性。質(zhì)量、自轉(zhuǎn)和電荷是它們僅剩的個體特征——而且由于黑洞一直在吞噬周圍的一切物質(zhì)，它原本自帶的電荷也遲早會被中和——想要從黑洞身上辨認出其他任何原來那個天體的特征都是不可能的。這就是天文學家總結(jié)的“黑洞無毛”定理。

不但自身的特征非常少，黑洞就連自身的存在都不愿意泄漏。一個潛伏在真空中的黑洞本身不會向外界發(fā)出任何信息，別忘了，連光都不能從它內(nèi)部逃離。但只要周圍有物質(zhì)存在，它就會泄露出痕跡。就像是一個披著閃亮斗篷的隱形人，我們看不到他本身，但能看到斗篷被撐起來形成人的輪廓，那么就可以合理推斷斗篷下有一個人存在。

天鵝座X-1藝術(shù)想象圖

黑洞的“斗篷”

1.黑洞的第一件“斗篷”，是圍繞在它身邊的吸積盤。

黑洞周圍的一切物質(zhì)都會被它的引力吸引，落向它的表面，越靠近黑洞就旋轉(zhuǎn)得越快，就好像從水池里放水所產(chǎn)生的旋渦，越靠近排水孔的地方水流得越快一樣。在這里，黑洞就是那個“排水孔”。強大的旋轉(zhuǎn)把落下的物質(zhì)大致束縛在一個平面上，形成巨大的吸積盤。在吸積盤的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，氣體的運行速度差別很大，強烈的摩擦讓氣體變得非常熾熱。同時，高速運動的粒子發(fā)出強烈的X射線，向遠處的我們暗示著黑洞的存在。因此，對地球上的天文學家來說，一個發(fā)出強烈X射線的致密天體，就是一個黑洞的候選者。比如史上第一個已經(jīng)被天文學家確信為黑洞的天體——天鵝座X-1就是如此。

對地球上的觀察者來說，黑洞的明亮程度取決于它周圍的環(huán)境。能夠被它吃掉的物質(zhì)越多，黑洞就越活躍，質(zhì)量的增加也越快。對一個恒星級別的黑洞來說，物質(zhì)的來源最可能是一顆伴星。黑洞的引力撕扯著伴星的外層氣體，在它和伴星之間形成一道物質(zhì)流。最大的那些黑洞則藏身于星系的中心，星系核里豐富的塵埃和氣體成為它最好的食糧，讓它的周圍無比明亮。

2.黑洞的第二件“斗篷”，是它從自轉(zhuǎn)軸的兩極噴出的又細又長的噴流。

宇宙間再也沒有比黑洞自轉(zhuǎn)得更穩(wěn)定的陀螺了，它的質(zhì)量非常大，自轉(zhuǎn)又快又穩(wěn)，自轉(zhuǎn)軸在幾百萬年的時間里都不會有絲毫的變化，所以長達幾千甚至幾百萬光年的噴流也沒有絲毫的彎曲。這種噴流還是宇宙間運動最快的天體，速度可以和光速相比較。筆直而又細長的噴流是黑洞存在的又一個間接證據(jù)。

這些噴流是怎么形成的呢？比較廣泛接受的解釋是，黑洞吸積盤表面的磁力線隨著黑洞的自轉(zhuǎn)而高度扭曲，聚集在黑洞的自轉(zhuǎn)軸上，越貼近自轉(zhuǎn)軸的磁力線就扭得越緊，直到最終斷裂。黑洞像是一個超級巨型的粒子加速器，來自吸積盤的帶電粒子沿著磁力線運動，被加速之后從磁力線斷裂的一端發(fā)射出去。這相當于是粒子“偷走”了黑洞自轉(zhuǎn)的能量，只不過粒子太小而黑洞太大，所以這種“小偷小摸”的行為就算再過一億年也不會有什么明顯的影響。

天文學家迄今發(fā)現(xiàn)的最遙遠的類星體。

3.黑洞的第三件“斗篷”，是環(huán)繞在它周圍的引力透鏡效應。

大質(zhì)量的天體會讓經(jīng)過它們身邊的光線變得彎曲，就好像凸透鏡對光線的改變一樣。黑洞背后的星光可以沿著表面“繞過”它，從前方的我們看起來，同一顆星星發(fā)出的光似乎來自好幾個不同的方向，形成一個以上的虛像。不過，恒星級黑洞的質(zhì)量不夠大，引力透鏡效應不明顯；而星系級黑洞的周圍太明亮，引力透鏡效應難以辨認。

假如有一個黑洞位于大麥哲倫星云前方，其產(chǎn)生的引力透鏡效應。

假如有一個黑洞位于銀河前方產(chǎn)生的引力透鏡效應。

4.黑洞還有第四件“斗篷”，這就是它周圍天體的運動學軌跡。

天文學家利用能夠穿透塵埃遮擋的射電望遠鏡觀測到了銀河系中心的恒星運動軌跡。幾百萬顆恒星聚集在黑洞身邊很小的范圍內(nèi)，圍繞著它飛速旋轉(zhuǎn)。離黑洞越近的恒星運動就越快，最快的恒星軌道直徑只有幾光日（光在一天中走過的距離），速度可以達到每小時幾百萬公里。黑洞就位于這些恒星的運行軌道之內(nèi)，從它們的軌道半徑和周期可以推測出黑洞的質(zhì)量，就好像從地球的運行可以計算出太陽的質(zhì)量一樣。天文學家推算銀心黑洞的半徑大約與水星軌道半徑相當，質(zhì)量大約是太陽的四百萬倍。對銀河系這樣大的星系來說，這個黑洞算是相當小的，表現(xiàn)得也很不活躍。作為對比，我們的鄰居仙女座大星系，質(zhì)量大約是銀河系的兩倍，但中心黑洞的質(zhì)量幾乎是銀心黑洞的十倍。而那些最活躍的黑洞的吸積盤和噴流甚至在上百億光年之外還能觀測到，因為它們的亮度和銀河系里一顆普通的恒星差不多，所以被稱為“類星體”。

黑洞并不是真正的“黑色”

仙女座大星系

其實，黑洞的“斗篷”固然閃亮，斗篷下的“隱形人”也并非真的是徹底隱形的。黑洞并不是真正的“黑色”，它其實也是有輻射的。根據(jù)量子理論，在真空中的每一個瞬間都有無數(shù)對粒子和反粒子產(chǎn)生，又立刻一起湮滅。在特別湊巧的情況下，這樣的成對粒子恰好在黑洞的附近產(chǎn)生出來，又恰好被黑洞巨大的引力拉扯開，一個粒子落入黑洞，另一個粒子留在外面保存下來，從黑洞外的我們看來，就好像是黑洞輻射出了一個粒子一樣。這種“輻射”是由英國物理學家霍金首先提出的，因此被稱為“霍金輻射”。黑洞由于這樣的輻射而有了溫度，和質(zhì)量成反比，質(zhì)量越大的黑洞溫度越低。我們知道，目前的宇宙微波背景輻射溫度是2.7K，和這個溫度相對應的黑洞質(zhì)量大約和月球相當。質(zhì)量比月球大的黑洞會不斷地吞噬質(zhì)量，溫度越來越低，最終在“清空”周圍的一切物質(zhì)之后成長為超大質(zhì)量黑洞；質(zhì)量比月球小的黑洞則因為比周圍環(huán)境溫度高而放熱，輻射出能量的同時損失質(zhì)量，這樣溫度又進一步升高，最終損失掉所有的能量，在一次爆炸后消失無蹤。不過，質(zhì)量這么小的黑洞是不可能由物質(zhì)的塌縮來形成的，它只可能來自宇宙誕生初期。天文學家把這種黑洞稱為“原初黑洞”。原初黑洞還只是一種理論上的存在，人們猜測它們的蒸發(fā)和爆炸可能是伽馬暴的產(chǎn)生原因之一。

關(guān)于黑洞的研究和觀測仍在繼續(xù)，新的問題和假說不斷被提出來，又不斷地陷入爭議。引發(fā)問題的根源是廣義相對論和量子理論之間的矛盾，比如廣義相對論允許物體平順地通過事件視界，而量子理論則發(fā)現(xiàn)在視界內(nèi)側(cè)會形成一道“火墻”，足以燒毀任何落進黑洞的物質(zhì)；又比如量子理論認為信息守恒，而在目前的黑洞理論中，黑洞還是一個吞下信息就絕不返還的貔貅。天文學家為了解決這些矛盾和悖論想了很多辦法，有的人假設(shè)奇點并不位于黑洞的中心，有的人不承認黑洞有清晰的邊界，還有的人假設(shè)黑洞是“灰洞”、信息總有一天能以某種形式被釋放出來等等。但這些辦法都還不能解決黑洞身上的各種矛盾。這個“隱形人”的真容，還需要天文學家進一步地把廣義相對論、熱力學和量子力學結(jié)合起來，才能被發(fā)現(xiàn)。

（責任編輯 張長喜）