翁山杉

(南京師范大學物理與科學技術學院，江蘇 南京 210023)

根據(jù)廣義相對論，黑洞是指一個具有極強引力勢的時空區(qū)域，在時空區(qū)域邊界(視界面)以內的任何物質，甚至包括電磁波輻射，都無法逃逸出來。理論上對黑洞質量并沒有任何限制，只要物質分布在足夠小的空間內(視界面)即可。由于黑洞本身并不產生電磁波輻射，因此在很長的一段時間里，黑洞只是一個數(shù)學、物理概念。隨著天文觀測技術的發(fā)展，人們在銀河系及近鄰星系中的雙星系統(tǒng)內找到了一些恒星級黑洞(質量和普通恒星的質量相當)存在的證據(jù)，同時一些觀測也表明：在大部分星系中心存在著超大質量黑洞(質量大于一百萬倍的太陽質量)。本文重點介紹這兩類黑洞存在的觀測證據(jù)，同時討論不同質量黑洞存在的可能性。

1 恒星級黑洞

根據(jù)恒星演化理論，星系介質由于引力作用塌縮，密度、溫度上升達到一定條件，發(fā)生核聚變，發(fā)光、發(fā)熱阻止物質進一步塌縮，形成恒星。在恒星演化晚期，物質核燃燒變弱,產生超新星爆炸，中心物質可能會在引力作用下迅速塌縮形成中子星或恒星級黑洞。黑洞本身并不產生電磁波輻射，但如果一個黑洞和一個普通/演化晚期的恒星相互繞轉，則會形成雙星系統(tǒng)，恒星通過洛希瓣或者星風形式損失物質。當這些物質被黑洞捕獲，吸積物質的引力勢能轉換成明亮的X射線輻射。通過監(jiān)測銀河系中X射線源的光變，人們已經發(fā)現(xiàn)數(shù)百顆X射線雙星。對其中一部分源，通過分析電磁波輻射的周期性變化，還能測出X射線雙星的軌道參數(shù)以及伴星的質量，并由此可以測出致密天體的質量。根據(jù)量子力學，當致密天體超過太陽質量2～3倍時，其簡并壓將無法抵抗引力，不可避免地塌縮形成黑洞。如果測量得到的致密天體質量超過3倍太陽質量，就可認為該天體為黑洞。

運用動力學方法，目前人們已經確認了近30個黑洞(X射線雙星)，它們的質量為3～20倍的太陽質量，這符合我們對恒星演化理論的預期。理論上恒星質量存在一個上限，最終演化形成的黑洞質量上限約為20～30倍的太陽質量。3倍太陽質量的下限是因為目前還無法完全排除大質量中子星的存在，但也有人認為沒有探測到2～3倍的太陽質量黑洞和采用的探測方法有關。此外，理論上預期銀河系中至少存在108～109個黑洞，這比目前所探測得到的黑洞數(shù)目大好幾個量級。這其中一個主要原因是我們探測黑洞方法所致，即我們只能探測正在吸積伴星物質、能產生明亮X射線輻射的雙星系統(tǒng)，進而判斷其中是否存在黑洞。但更大一部分黑洞并不吸積物質，利用傳統(tǒng)的方法也就無法搜尋到它們的蹤跡。

目前，人們也開始著手利用其他方法來找尋黑洞。比如，對雙星系統(tǒng)中的普通恒星進行長期監(jiān)測，分析恒星質量、演化狀態(tài)以及軌道周期，進而推測黑洞存在的可能性。這種方法和傳統(tǒng)的在X射線雙星中找黑洞的方法類似，都是動力學方法。但不同的是，這些系統(tǒng)中的黑洞并不吸積伴星物質，用來分析軌道周期的電磁波信號來自普通恒星而不是吸積盤輻射。由于銀河系中的普通恒星數(shù)以百億計，利用這種方法尋找黑洞工作量更大、更困難，但也有望找到更多恒星級黑洞。例如最近國家天文臺劉繼峰研究員所帶領的團隊，就利用該方法找到了目前已知質量最大的恒星級黑洞——LB-1，它的質量達到70倍太陽質量。

此外，令人振奮的是，美國的激光干涉引力波天文臺在2015年首次探測到雙黑洞并合的引力波信號，這是從理論上確定了廣義相對論的正確性，同時給出黑洞存在的又一觀測證據(jù)。至今，已經探測到十余例引力波事件，其中黑洞質量普遍高于X射線雙星中的黑洞質量，對于這些質量較大(30～80倍的太陽質量)的恒星級黑洞的形成，目前還存在很大爭議。

2 超大質量黑洞

超大質量黑洞是指星系中心可能存在的質量超過百萬倍太陽質量的黑洞，它的提出最早是為了解決類星體的能源問題。早在上世紀60年代，人們首次發(fā)現(xiàn)類星體，它們是一些非常明亮、致密的天體。其極高的輻射能量無法用恒星核聚變來解釋，人們首先想到的是，在這些星系中心存在著一個超大質量黑洞，黑洞通過吸積周圍物質產生觀測到的電磁波輻射，之后越來越多的觀測也驗證了超大質量黑洞的吸積圖像。

從1995年開始，利用最先進的Keck光學望遠鏡對銀河系中心的一批恒星S2 Star,進行了20余年的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)它們圍繞著共同的中心進行繞轉(如圖1)。其中最短的軌道周期只有11.5年，目前監(jiān)測已覆蓋了兩個軌道周期。通過分析這些恒星的運動軌跡，可以計算出在中心不到1光天的區(qū)域內存在著超過百萬倍太陽質量的物質，而超大質量黑洞是唯一可能的解釋，這是目前超大質量黑洞存在的最強證據(jù)之一，最新對銀河系中心黑洞質量的估計是400萬倍的太陽質量。

圖1 Keck望遠鏡對銀河系中心的一批恒星進行長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)這些恒星圍繞共同的中心(超大質量黑洞)進行繞轉，圖片由UCLA Galactic Center Group提供。

2019年最大的天文事件莫過于科學家利用事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope)對距離地球5300萬光年的M87星系中心的黑洞進行拍照，發(fā)現(xiàn)中心存在帶有自旋的超大質量黑洞(如圖2)，這也是人們獲得的第一張黑洞的相片。相片中心的暗弱區(qū)域是黑洞所在位置，陰影區(qū)域大約是黑洞視界面的2.5倍，正比于黑洞質量。周圍的明亮區(qū)域是黑洞吸積周圍熱氣體所產生的輻射，是人們所獲得的最靠近黑洞視界面的電磁波(毫米波)輻射信息。從圖2中還能看出這個明亮區(qū)域上下不對稱，這是由M87中心黑洞自旋所決定的。通過仔細分析黑洞相片的信息，再一次表明了廣義相對論的正確性。目前，科學家還對銀河系中心的超大質量黑洞，以及一個類星體3C 279進行拍照分析，對廣義相對論做進一步的檢驗。

圖2 事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope)所拍攝M87星系中心黑洞的相片，圖片由歐洲南方天文臺提供。

除了分析銀河系中心黑洞周圍的引力場，以及超大質量黑洞周邊的電磁波輻射，直接探測超大質量黑洞的引力波輻射也在緊鑼密鼓地進行中。美國國家航空航天局(NASA)和歐洲空間局(ESA)提出了利用激光干涉空間天線(Laser Interferometer Space Antenna，LISA)探測引力波的計劃，該項目將在空間放置三個相同的探測器，構成邊長為500萬千米的等邊三角形(干涉臂)。目前已有成功探測到引力波的LIGO以及VIRGO項目，可探測較高頻(10～103Hz)的引力波信號，主要來自雙致密天體的并合。而LISA工作頻段更低(10-4～10-2Hz)，它的主要探測目標之一就是星系中心兩個超大質量黑洞的并合事件，我們也希望LISA在將來能夠獲得超大質量黑洞存在的觀測證據(jù)。

3 總結和討論

目前人們普遍接受上文所列黑洞觀測證據(jù)，認可恒星級黑洞以及超大質量黑洞的存在，并且對于恒星級黑洞的形成也有很好的理論支持。但只要稍微細心一點就會發(fā)現(xiàn)，這兩類黑洞之間還存在一個質量空缺，也就是質量在100～106倍太陽質量范圍的黑洞——中等質量黑洞。尋找這類黑洞的重要性不僅僅在于其自身的存在性，更在于幫助我們理解大質量恒星以及不同質量黑洞的形成演化，比如星系中心超大質量黑洞的形成。目前，有些觀測表明：在矮星系中心以及星系中的極亮X射線源內存在這類中等質量黑洞，但仍缺乏一錘定音的證據(jù)。

此外，一些學者認為在宇宙早期由于密度漲落、引力不穩(wěn)定性，物質可直接坍縮形成黑洞。這些黑洞也被稱之為原初黑洞，它們的質量分布較廣，也可能有一些相應的觀測效應。例如，霍金輻射理論認為，黑洞不僅能夠吞噬周圍的物質和輻射，也可以通過霍金輻射損失質量，對于質量較小的原初黑洞來說，霍金輻射效應更明顯。有宇宙學理論認為：觀測上所需的暗物質一部分就是原初黑洞。原初黑洞還被用來解釋上文所提的大質量恒星級黑洞(30～100倍太陽質量)，甚至有人用原初黑洞來解釋太陽系中“時隱時現(xiàn)”的第九大行星。但目前這些觀點都僅僅是猜測，需要更多的觀測檢驗。