□ 編譯 / 謝 懿

為什么宇宙中有這么多黑洞

□ 編譯 / 謝 懿

根據(jù)星團、恒星和盤的有關物理學，黑洞是宇宙不可避免的產(chǎn)物。

20世紀30年代，研究宇宙線的天文學家見證了一個“奇跡”發(fā)生的時刻。他們發(fā)現(xiàn)了一種新的粒子——μ介子，它像電子一樣帶一個負電荷，但質量卻介于電子和質子之間。這一發(fā)現(xiàn)是如此令人吃驚，而這種粒子又是如此的意料之外，使得諾貝爾獎得主伊西多?艾薩克?拉比（Isidor Isaac Rabi）不禁調侃道：“這是誰點的？”

對于今天的很多人來說，能引起同樣反應的事物已不再是介子，而是黑洞。天文學家已經(jīng)知道質量最大的恒星會以超新星爆炸的方式死去，留下一個質量約3～20個太陽質量不等的黑洞。他們還相信，在絕大多數(shù)星系的中心存在著質量為太陽的100萬～100億倍的超大質量黑洞。

這又是誰點的呢？為什么天文學家會認為這些質量如此之大、體積又如此之小的天體無處不在？難道是天文學家們鐘愛這些連光也無法逃逸的極端天體？

回答并非如此。其實，許多天體會非常自然地演變成黑洞。盡管令人生畏，但主宰這些演化過程的規(guī)律卻十分普通。

由引力束縛在一起的所有天體，其演變的過程都是相似的。這些自引力系統(tǒng)包括恒星、星團和星系，但并不包含小行星或人體這樣的固態(tài)物體，它們是由靜電力結合在一起的。

自引力系統(tǒng)會朝著它們所能達到的最緊密的引力束縛態(tài)演化。為了實現(xiàn)這一點，它們會形成一個體積較小且質量較大的核心，但代價是在外面會形成一個較為彌散的暈。不同的天體系統(tǒng)之間在細節(jié)上會存在差異。但共同的結果始終是有一部分的質量會在中心處形成一個小而致密的天體。行星、白矮星和中子星正是這些終端產(chǎn)物，它們一般不會再進一步演化。然而，如果質量足夠大，沒有什么能阻止白矮星或中子星進一步收縮，引力最終會勝出。這正是為什么黑洞能在各種不同的情況下形成的原因。

草帽星系位于室女座，是一個幾乎側向對著地球的普通旋渦星系。它包含了一個核球和一個盤。天文學家認為其核球的形成方式與橢圓星系的如出一轍，是通過兩個星系間的碰撞與并合而形成的。版權：NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScI/AURA)。

球狀星團核心坍縮

形形色色的天體都有著相似的演變路徑。即使是沒有黑洞的系統(tǒng)最終也會形成致密的核心。這一演化的絕佳范例就是球狀星團。它們是我們可以考慮的最簡單的系統(tǒng)，因為球狀星團只包含恒星，而恒星間僅通過引力發(fā)生相互作用。恒星之間不會碰撞。恒星與恒星之間引力的強弱和它們之間距離的平方成反比。當恒星彼此靠近時，它們之間的引力會變強得多，進而散射對方，有時這一過程會非常劇烈。那么，接下來會發(fā)生什么呢？

與之類似的一個日常生活中的例子可以為我們提供答案。設想在一個漏斗狀的滑冰場上有許多滑冰的人。假設冰面沒有摩擦，所以只要不受其他人的干擾，任何一個滑冰者都會不停地沿著圓形或者橢圓形的軌跡繞滑冰場漏斗的中心運動。漏斗的形狀意味著越靠近漏斗中心的滑冰者就必須滑動得越快，就像開普勒定律所描述的行星繞太陽的運動。

位于飛馬座的球狀星團M15是銀河系中最致密的星團之一。其數(shù)十萬顆恒星之間無數(shù)次的交會使得質量較大的恒星下沉到其核心，而質量較小的則被拋射了出去。迄今銀河系中只有大約20%的球狀星團經(jīng)歷了這樣的核心坍縮過程。版權：NASA/ESA。

假如滑冰場上的滑冰者很少，那么它們彼此之間就幾乎不會相互干擾，每一個人的運動軌跡幾乎都獨立于其他人的運動軌跡。不同的滑冰者會沿著不同的方向以不同的速度運動，越靠近中心，速度越快。類似地，在球狀星團中，恒星到其中心的距離各不相同，它們會沿著隨機的方向以近乎隨機的軌跡運動。

現(xiàn)在讓我們來研究一下當滑冰者——恒星也是一樣的——彼此靠近時會發(fā)生什么。在最簡單的情況下，所有的滑冰者都有著相同的質量。當兩個滑冰者足夠接近彼此時，他們就可以握住對方手。如果假設只要能抓到另一方的手，他們就會把對方甩出去，那結果就是這兩個滑冰者會改變各自的運動方向，但運動的速度不變。在經(jīng)過了許多次這樣的相遇之后，不同滑冰者的軌道會重新分布，但整個系統(tǒng)幾乎沒有發(fā)生變化。

現(xiàn)在想象一下在滑冰場中有一個滑冰者比其他人的質量要大得多。當大質量的滑冰者和一個質量較小的滑冰者彼此握手將對方甩出時，由于碰撞過程傾向于能量均分，因此大質量的滑冰者會減速，而質量小的則會加速。

這個滑冰場忠實地再現(xiàn)了在球狀星團中所發(fā)生的過程。如果一個滑冰者突然增速，就運動到遠離中心的地方，甚至有可能從該系統(tǒng)中逃逸。與此同時，質量較大的滑冰者會減速，落向中心。在這一過程中，其速度必然要增加，因為越靠近中心，運動速度越大。

在經(jīng)過了許多次的交會之后，演化的趨勢是使得質量較大的滑冰者落向中心，質量較小的則遠離中心。當這種情況發(fā)生在一個球狀星團內(nèi)時，該過程被稱為核心坍縮，而小質量和大質量恒星分離則被稱為質量分層。于是，在星團的中心附近聚集著許多大質量的恒星，而這些恒星在其軌道上會以更高的速度運行。

即便所有的滑冰者都有著相同的質量，類似的情況也會發(fā)生。當質量相同的滑冰者甩出彼此時，雖然速度的大小不變，但他們的運動方向會改變。不過，這僅僅是近似。不同的滑冰者有著不同的運動速度，所以即便他們有著相同的質量，各自的動能也不盡相同。交會會仍傾向于均分滑冰者之間的動能。速度快的會傾向于減速并落向中心，而速度慢的則會增速并向外攀升。核心坍縮過程仍會發(fā)生，只是速度會慢得多。

恒星和星團的演化

現(xiàn)在讓我們來討論滑冰者或者星團的演變，為此需要給它注入一道由高溫處流向低溫處的熱流。溫度是對構成物體的粒子在微觀層面上振動速度的一種度量。振動的速度越高，溫度就越高。在星團中，恒星的平均速度可以與某一個溫度相連。為了維持其軌道，距離中心較近的滑冰者或天體必須以較高的速度運動。于是，越接近中心的地方，溫度就越高。當速度較快的滑冰者甩開較慢的時，后者會被加速，這相當于熱量從溫度高的地方流向低的地方。正如在地球上熱量會從高溫的火苗流向低溫的空氣，在星團中熱量也趨于向外流動。其結果是，星團的核心變得更加致密，而其外層則會變得更加松散。

不過，這里存在著一個重要的區(qū)別。隨著星團的核心變得越來越致密，在其中心附近就會聚集越來越多的物質。因此，天體間的引力會變得更強，它們也必須運動得更快。這意味著，星團擁有一個與我們?nèi)粘Ｉ钪庇X相反的特性。隨著熱量流出球狀星團的中心，那里的溫度并沒有降低。相反，它卻升溫了。這不會發(fā)生在地球上一堆燒紅的煤炭上，也不會出現(xiàn)在當你在冰冷的海水中游泳時。但這卻是軌道動力學的基本行為特征。于是，任何一個有隨機運動恒星所構成的星團必然會演化出一個越來越致密、越來越熱的核心和一個越來越松散的外層。

雖然大熊座中的旋渦星系M81有著與銀河系相似的結構，但它的核球要更為年老，也更為巨大。M81的核球極有可能形成于一次很久之前的碰撞以及之后與另一個星系的并合過程。版權：NASA/ESA/ THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScI/ AURA)。

為什么恒星以這樣的方式死亡？

對星團演化的認識可以直接轉化對恒星死亡的認識。雖然在演化過程的細節(jié)上有所不同，但大的圖像卻是極為相似的。

在恒星一生中絕大多數(shù)的時間里，它都是由核聚變過程來驅動的，該過程發(fā)生在溫度足夠高的恒星核心處，會把氫轉變成氦。由此釋放出的極端高熱會產(chǎn)生能抵御恒星自身引力的氣體壓強。熱量會從恒星表面流失，不過它們會由恒星內(nèi)部的核反應來補給。所以，對于太陽來說，它在大約100億年的時間里幾乎不會有變化。這并不是意味著太陽真的沒有在“演化”。相反，這是由于其中央熱源所造成的演化推遲。

當恒星的核心完全被轉成氦且溫度過低而無法點燃氦核反應時，熱會繼續(xù)從核心流出，但卻無法再得到維系。恒星中心就會冷卻。氣壓會下降，引力獲勝。恒星的核心開始坍縮。但是，正如在星團中所發(fā)生的，坍縮會使得溫度升高。這導致更多熱量向外流出，使得恒星變亮。為了應對這個流出的能量，恒星的外層會膨脹，成為一顆紅巨星，而它的核心卻在坍縮。星團的演化與之類似。

接下去會發(fā)生的事情取決于氣體物理學，會有別于星團的演化。恒星核心的溫度會變得極高，以至于原子會分解成可自由運動的原子核和電子。但是，電子具有一種基本屬性，除非被施加了巨大的能量，否則它們不會過于靠近地聚集在一起。這種抵抗擠壓的阻力稱為簡并壓，它可以支撐住恒星的核心，只要它的質量別太大。如果核心的溫度足夠高能夠開啟把氦轉化成碳的核反應，那么由這些反應所產(chǎn)生的能量會再一次推遲其演化的進程。

旋渦星系M94位于獵犬座，是由角動量輸運過程所打造出來的。隨著它的演化，氣體會從其中心向外流動，形成了一個環(huán)繞其星系盤的環(huán)。在它的明亮中心處有一系列的星暴活動，而在其核心則潛藏著一個超大質量黑洞。版權：ESA/HUBBLE/ NASA。

與此同時，紅巨星的包層會向外膨脹，形成行星狀星云。其中心則留下了一顆白矮星，由于無法進一步坍縮，它會逐漸冷卻?；蛘?，如果核心的質量太高，電子簡并壓也無法抵御引力，那么它就會繼續(xù)坍縮，直到質子和電子被迫結合成中子。此后，它會通過中子簡并壓來抵抗引力。這正是中等質量恒星死亡形成中子星的原因。

但是，如果恒星的質量足夠大，那么其核心的質量就會達到即使是中子簡并壓也無法抵御引力的程度。目前還不確切知道比中子簡并壓更強大的壓力。于是，該核心會繼續(xù)坍縮，因為它的溫度非常高，輻射會帶走可以產(chǎn)生壓強的熱量。引力不會留下任何的余地。沒有其他東西可以再抵擋引力了。如果核心的質量足夠高，就必定會坍縮，它會變得極其致密，使得引力可以戰(zhàn)勝其他任何妄圖與之對抗的作用力。天文學家們還在研究這其中的細節(jié)，但可以確定的是坍縮成黑洞不需要非常特別的前提條件。只要質量足夠大，每一顆恒星都能做到。那么質量要多大呢？這是一個我們迄今沒有確切知曉的細節(jié)?；卮鹗羌s20個太陽質量。

因此，恒星的演化包含了一系列的核心坍縮（當引力占據(jù)主導時）和包層膨脹（來應對不斷增強的輻射）以及穿插于這兩者之間由中央核聚變供熱的平衡期。很自然地，只要恒星質量足夠大，黑洞會是其不可避免的產(chǎn)物。這就是為什么在我們的銀河系中黑洞——以及其他的致密天體——無處不在的原因。

位于長蛇座的棒旋星系M83形似于我們的銀河系，也是一個由角動量向外輸運所造就的典型星系。其中心的棒狀結構會攪動氣體，使得它們的角動量重新分布，引發(fā)星暴。在它的中央也存在一個超大質量黑洞。版權：NASA/ESA/THEHUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/ AURA)。

旋轉盤的作用

恒星和星團由抗衡引力的壓強來維系。因此，隨著熱量向外傳輸，它們也會隨之演化。與之形成對比的是，旋轉的盤通過自轉來對抗引力。因此，它們會隨著轉動的變化——被稱為角動量輸運——而演化。除去這一差別之外，這兩種系統(tǒng)的演化是相似的。

滑冰場的類比在這里依然有效。區(qū)別在于現(xiàn)在滑冰者都在以近圓的軌道上運動且速度大致相同。但是，它依然會發(fā)生同樣的事情——不同類型的自引力系統(tǒng)都會演化出一個越來越致密的核心和一個越來越彌散的外暈。

原行星盤演化的方式與滑冰場的類比最為相似。較重的物體會甩出較輕的。木星會向內(nèi)遷移，溫度也會升高；而海王星則會向外移動，漸漸冷卻。這是由散射原行星或星子、還是通過與盤中的波相互作用所導致的，仍是一個需要確認的細節(jié)。但它很好地解釋了為什么天文學家會在太陽系之外發(fā)現(xiàn)如此眾多非常靠近其宿主恒星的巨行星。天文學家相信，這也發(fā)生在了我們的太陽系中：木星也曾朝向太陽遷移——幸運的是，它只移動了一點點。天王星和海王星則向外移動了幾個天文單位。在這個過程中，海王星就像推土機一樣把柯伊伯帶天體也向外推。太陽系和太陽系外行星系統(tǒng)的所有這些方面都是“內(nèi)緊外松”演化方式的后果。

原恒星盤也類似于原行星盤。隨著盤中的物質下落到原恒星上，它也會隨之生長，不過磁場會減小這些下落氣體的速度。結果是一樣的：形成一個高密度的核心——恒星，而其他的物質則向外轉移。

黑洞周圍的吸積盤也以同樣的方式運轉。在黑洞附近，吸積盤的轉速接近光速，因此摩擦力會把氣體加熱到極高的溫度。由此形成了會發(fā)出耀眼光芒的類星體和其他活動星系核。在這些高溫氣體中，磁場和摩擦力會主宰其演化過程。一些氣體會落入黑洞，但其他的則會被拋射出去。在類星體中，這一拋射會以粒子噴流的形式從吸積盤自轉軸附近射出，就像一條由氣體構成的火舌，可以延伸出數(shù)百萬光年。（原恒星盤也會沿著其自轉軸射出氣體噴流。）

所以，黑洞的生長是一個極端但卻又十分自然的過程，與天文學中許多其他的演化過程息息相關。它完全不需要獨特而神奇的設計。就像之前所提到的那些演化過程，只要大自然的物理學規(guī)律允許，它就會沿著“內(nèi)緊外松”的道路演化下去。于是，對于一個業(yè)已形成的黑洞來說，它的質量會變得越來越龐大。

最后，類似M83和M94這樣旋渦星系的盤也會通過向外輸運角動量來演化。只有在因棒狀結構形成到使得盤失穩(wěn)時，星系才會演化。當盤中的氣體與其相互作用時，棒狀結構的作用就像一根攪棒，攪動周圍的氣體，使得角動量重新分布。這一過程造就了類似M94這樣的星系。一些氣體會向外運動，通常會形成一個圍繞在盤之外的環(huán)。其他的氣體則會落向中心，在那里它們會變得非常稠密，導致恒星的爆發(fā)式形成。這正是我們在這些星系中所看到的。M83和M94的明亮中心就是由星暴所造成的。其結果是會在星系的中心附近形成一個致密的恒星子系統(tǒng)。

幾十年來，天文學家一直困惑于星系的這一中心結構，被稱為核球。核球呈近似球形，包含有致密的星團，與橢圓星系十分類似，可能是星系碰撞與并合的結果。草帽星系包含有核球，著名的星系M81和仙女座星系也有。但是，并非通過星系并合，M83和M94正在緩慢地形成一個贗球核。

贗球核對于認識超大質量黑洞是如何影響星系演化而言非常重要。天文學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，黑洞和核球能夠控制對方的生長。但是，黑洞對贗球核或星系盤的生長卻沒有明顯的影響。

超大質量黑洞的起源

在早期宇宙中，第一代恒星形成于幾乎完全是由氫和氦所組成的氣體。天文學家認為，第一代恒星中的一些其質量會比在今天所形成的任何恒星都更大。這些恒星的死亡會形成數(shù)百個太陽質量的黑洞。這一現(xiàn)象發(fā)生在小型的原星系中，而原星系間的碰撞與并合則形成了今天所見的星系。目前最好的猜測是，許多恒星死亡留下的黑洞殘骸并合形成了質量達數(shù)千個太陽的黑洞，它們是超大質量黑洞的“種子”。然后，通過并合和吸積氣體，它們會進一步生長。

巨橢圓星系M87位于室女星系團中，在其中心有一個超大質量黑洞。在哈勃空間望遠鏡所拍攝的這幅圖像中可以看到一道由該黑洞周圍的吸積盤所發(fā)射出的高速噴流。天文學家認為，在幾乎所有的大型星系中央都存在有質量至少是太陽數(shù)百萬倍的超大質量黑洞。版權：NASA/ ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)。

在認識宇宙宏大圖像的過程中，存在著一種驚人的美麗和力量。許多不同類型的天體系統(tǒng)——從我們銀河系中近鄰恒星系統(tǒng)到早期宇宙中的黑洞——都有著本質上相似的演化方式。通過一切可能的物理過程，引力會使得任何一種天體都演化到其所能達到的最致密的結構狀態(tài)。這會形成一個致密的核心和一個彌散的外暈。當看到不同的天體系統(tǒng)都有著相似的演化軌跡時，這也增強了我們對它們每一個認識的信心。

當這些過程在構建越來越致密核心的道路上行進得足夠遠之時，天文學家相信，黑洞將會是這一簡單物理規(guī)律下自然且不可避免的產(chǎn)物。

（責任編輯 張長喜 ）