黑洞，时空弯曲的神秘漩涡

*袁 峰

黑洞，时空弯曲的神秘漩涡

*袁 峰

2010年11月16日凌晨1时30分，美国国家航空航天局（NASA）宣布该局发射的“钱德拉”X射线太空望远镜发现了一个黑洞。这个质量大约是太阳的5倍，由一颗质量大约20倍于太阳的恒星发生超新星爆炸形成的黑洞，其特别之处在于：它是人类历史上发现的最年轻的黑洞，仅仅31岁。

这是人类历史上首次目睹黑洞的诞生，这个发现有望为科学家研究黑洞如何从“婴儿”状态开始演化提供独一无二的机会。

黑洞，就像是宇宙中的一个怪物，也是宇宙中最不寻常的天体。要介绍黑洞，先要从“逃逸速度”说起。

从星体表面发射火箭到太空，要想逃脱该星体引力的束缚，就要求火箭的速度必须大于一个临界速度。只要比这个速度快，物体就能不再掉落到星体上，或绕着它旋转，而可以去更远的外太空自由翱翔，故而这个速度称为“逃逸速度”。地球的逃逸速度大约是每秒11公里，太阳表面的引力比地球强很多，因此太阳的逃逸速度大约是每秒600公里。那么，如果有这么一种物体，它的表面引力非常强，以至于逃逸速度等于光速——宇宙中最快的速度，此时任何物体，甚至是光子本身，都无法逃脱该物体的“引力魔掌”——这个物体就是黑洞。

广义相对论预言的黑洞由两个基本结构组成：黑洞中心是一个“奇点”，所有的物质都集中在这个点上，密度因而是无限大。当然，现代科学认为，广义相对论本身还不是终极理论，还需要发展，具体来说是要与量子力学结合。这样的话，奇点将不再是个没有体积的点了。奇点之外，黑洞存在一个“表面”，叫“视界”，这也是黑洞的“半径”。视界可以看作是黑洞的“势力范围”。一旦进入视

什么是黑洞

界，所有的物体，包括光，都无法逃脱。不同质量的黑洞，其视界的大小是不一样的。

若黑洞的质量相当于地球质量，则视界只有2.5厘米。也就是说，地球要变成一个黑洞的话，必须缩小为乒乓球大小才可以。若太阳变成一个黑洞，则要从目前的70万公里半径的巨大火球变成半径只有3公里的小球体。

宇宙天体的兴衰

宇宙中的天体也与地球上的生物一样，会经历诞生、成长、衰老和死亡。广义相对论预言，黑洞就是大质量恒星死亡以后的“残骸”。具体来说，黑洞是质量大于20倍太阳质量的恒星死亡以后形成的。

恒星之所以能够生活，是因为恒星内部热核反应加热气体产生的膨胀压力在对抗使其向内收缩的万有引力。等到核燃料逐渐耗尽的时候，气体就会很快冷却下来，与引力相抗衡的气体压力因而就会大大减小。于是，恒星在强大的万有引力作用下会迅速向中心塌缩，体积迅速缩小，恒星也就开始衰老，濒临死亡了。

下一步的命运取决于原初恒星的质量。若原先的恒星质量较小，小于10倍太阳质量，则恒星缩小到一定程度后，一种叫做“电子简并压”的力能够与引力抗衡，星体于是停止塌缩。这时形成的星体叫“白矮星”。这种星体表面仍然存在少量可燃烧物质，但是温度非常高，所以颜色很“白”。再加上这种星体体积很小，即“很矮”，所以叫做白矮星。

若原初恒星的质量大于10倍太阳质量但小于20倍太阳质量，引力就会更强一些，这时恒星会进一步塌缩。这时另一种力——“中子简并压力”出现并与引力达到平衡，星体停止塌缩。这时形成的星体叫做“中子星”，它的半径只有10公里，但是质量却达到太阳质量的两倍！

若原初恒星的质量高于20倍太阳质量，引力会非常强，即使是中子简并压力也无法与之平衡，于是恒星只能无限制地塌缩下去，变成一个黑洞！这次发现的黑洞，其前身星正是一个大约20倍太阳质量的恒星！

对于质量大于20倍太阳质量的恒星来说，其演化的最终结局虽然都是黑洞，但却有两种截然不同的具体表现：一是超新星爆发，二是伽马射线暴。前者较“温和”，即这些能量是在较长的时间里爆发，而后者非常剧烈，在极短时间里——从不到一秒到几百秒——就发出巨大的能量。伽马射线暴是宇宙自诞生以来我们目前所知道的最剧烈的爆发现象，是上世纪60年代才偶然发现的比较新的天文现象，关于它的起因仍是一个谜，因此是目前天体物理研究的一个热点。

首次看到黑洞诞生

这次美国航空航天局宣布的发现意义之所以重大，原因就在于我们人类历史上首次看到了黑洞的诞生以及“婴儿期”演化的整个过程。而且由于这个黑洞距离我们非常近，只有5000万光年，更为资料积累提供了便利。从1979年其原初恒星开始爆发，一直到今天的31年时间里，我们都有对这个黑洞的详尽的观测资料。这对于验证我们的恒星演化和黑洞形成理论，并进而推断星系、宇宙中黑洞的分布以及有关的天体物理研究无疑将有重要帮助。

同时，天文学家之所以对黑洞那么有兴趣，还有很多原因。目前，国际上的天体物理研究热点，有“一黑、两暗、三起源”的说法，“一黑”指的就是黑洞（“两暗”是指暗物质、暗能量，“三起源”是指宇宙起源、天体起源、生命起源）。黑洞研究之所以重要，首先是因为黑洞周围引力极强，由此引起的吸积盘中的气体的其他物理性质也都非常极端，如超高温、高压、超强磁场等等，这些极端的条件是地球上的实验室无法达到的，而这些恰恰对于我们验证物理学的基础性理论如广义相对论等可以说起着举足轻重的作用。其次，宇宙中大部分有趣的剧烈爆发、高能量现象都是跟黑洞联系在一起的，比如伽马射线暴、活动星系核（指的是星系中心的质量超过太阳质量百万倍以上的超大质量黑洞）等，故研究黑洞能直接帮助我们揭开这些现象的神秘面纱。第三，最近的研究发现，黑洞与其他的一些人们感兴趣的问题紧密相关，比如星系是如何形成和演化的。只有研究清楚了黑洞本身，才可能最终解决这些难题。

（徐春燕摘自《文汇报》，本刊有删节）