黑洞：闪亮斗篷下的隐形人

□ 刘 茜

黑洞：闪亮斗篷下的隐形人

□ 刘 茜

成年星系中心的超大质量黑洞

当我们的先辈在数千年前开始观察和记录星空的时候，毫无疑问的，他们只关心夜空中那些发亮的部分。日升月落，斗转星移，镶嵌在暗黑天幕上的那些光点，有的似乎从不改变相互间的位置——这是恒星；有的则在恒星间沿着黄道两侧向前运行——这是行星；还有些倏然而来、忽焉而去——这是彗星和流星。很长一段时间里，人们一直以为太阳系外的宇宙就是由空无一物的黑暗虚空和点缀其间的明亮恒星构成的。直到20世纪，天文学家才相信宇宙间真的还有这样一类奇特的天体：它们不发光，还会吞没离自己太近的光线；它们本身几乎不发出任何信息，一切落入它们的信息也随即石沉大海，仿佛和我们玩着捉迷藏的游戏。天文学家一开始只是从理论上推测到它的存在，然后不得不像最精明的侦探那样，小心翼翼地排查着一切蛛丝马迹，来搜寻它们的踪影……

我们把这样的天体叫做黑洞。

恒星演化形成致密天体

“黑洞”这个名字，其实并非特别贴切，往往容易让人望文生义而产生误解。实际上它未必黑，也绝不是一个洞。和恒星、星云等天体完全不一样的是，黑洞并不是以实在的物质形式存在的，它是一个时空区域，由它表面的视界与我们所处的这个时空相隔离。虽然现在实际观测到的黑洞（或严格来讲，黑洞候选者）绝大多数都是超大质量的星系级黑洞，但最初天文学家推测它的存在方式和物理性质的时候，都是从恒星的层级去考虑的。所以要理解一个黑洞的模样，还得先从恒星的死亡讲起。

在某种程度上，恒星演化结局的不同体现为最终密度的不同，而这是由它们原本的质量大小决定的。大致说来，质量越大的恒星，在生命的尽头将会演化为越致密的天体。

设想一下几十亿年后的太阳。届时它将逼近生命的尽头，躯体膨胀到原本的几十万倍，成为一颗红巨星，就像我们现在看到的大角星（牧夫座α）和毕宿五（金牛座α）一样。太阳将在红巨星的阶段停留几百万年，这个过程中它的表面相对平静，只是不停地有气体流失到宇宙中。而在这平静的表面下，它遥远的中心有一个翻天覆地的变化正在酝酿。

年轻星系中心的巨大黑洞

在红巨星阶段，恒星中心的氢元素已经完全转化成了氦元素，在中心部分形成了一个氦球。氢元素聚集在氦球的表面，继续发生核反应，让氦球的质量不断增加。氦球由于自身的引力而不断收缩，温度和密度都越来越高，最终在大约一亿度的温度下点燃了中心的氦元素。这时的氦球非常致密，氦燃烧产生的能量无法通过气体的膨胀来传递出去，于是氦球内部温度急剧升高，使得核反应猛烈进行，在一分钟的时间内把所有的氦燃烧殆尽，转变为碳甚至后续的氧元素。这个短暂的猛烈燃烧过程被称为“氦闪”，它让恒星重新开始明亮起来，但这并不能持久。氦元素聚变的时间比氢聚变短得多，不能抵抗恒星质量产生的向内的引力，恒星的核只好向内塌缩。与此同时，原子的自由被巨大的压力逐渐剥夺。它们的活动空间越来越小，彼此间的距离也越来越近。

白矮星和地球的大小比较

最终，原子再也无法维持原本的大小。曾经围绕着原子核运行的电子现在脱离了原子核，成为自由电子。原子核们彼此靠近，摩肩接踵，整齐地排列在自由电子的海洋中，自由电子见缝插针地在原子核之间的缝隙里流动。天文学上把这种状态叫做“电子简并态”。恒星达到非常大的密度，相当于把一整个太阳的质量压缩到地球的大小，靠电子和电子之间的不相容斥力来抵抗引力。这样的结局，就是恒星的第一种归宿：白矮星。

质量更大的恒星不会经历白矮星阶段。它们的氦核更大，点燃得更早，在密度更小的时候就开始燃烧。氦聚变成为碳，接下来生成氧，只要质量足够大，恒星就会向更重的元素索取能量。最后的恒星核就像洋葱一样，由一层层不同元素形成的壳包裹着，氢在最外层的表面上，越向里的元素越重，最终的中心将是一个铁-镍元素形成的核。这种质量的核产生的自身引力是电子简并态所无法抵抗的，于是，电子被巨大的压力挤进原子核，带正电的原子核和带负电的电子中和，原子核里的质子全部变成了中子。自由电子的海洋消失了，原子核也随之瓦解，取而代之的是一个个整齐排列的中子，你也可以把它想象成一个超级巨大的、不带电的原子核。这个“大原子核”的密度最高可以达到每立方厘米20亿吨，把两个太阳的质量压缩到了一个直径不到10千米的球，靠中子和中子之间的不相容斥力来抵抗引力。这就是恒星的第二种归宿：中子星。

质量最大的那些恒星会走到第三种结局，星核的引力大到连中子的密度都无法抵抗，不得不继续塌缩。于是连中子都无法在这样的压力下存在，基本粒子瓦解，“物质”从这一瞬间开始不再以我们通常认知的形式存在，“密度”这个概念在这里也失去了意义。恒星剩余的所有质量被聚集到了一个叫做“奇（qí）点”的微小区域里，比原子核还要小一万亿亿倍。最后出现的天体不再是一个实体的存在，而是一个具有奇异性质的时空范围。原本恒星的外层气体，有的早在这之前就已弥散在宇宙中，有的却会在一瞬间被这个奇特的天体一口吞掉，大量的能量在几秒钟之内释放出来，形成一次爆发。

于是，这颗恒星就变成了一个黑洞。

闪亮斗篷下的隐形人

黑洞到底是什么？本质上说，它是所有不能离开奇点——也就是它的中心——足够远的事件的集合。所以黑洞的表面，也就是边界，被天文学家称为“事件视界”。事件视界是由所有刚好不能摆脱黑洞的光线组成的，在它之内的任何事件和物质都不能穿过视界来到黑洞之外。一切落入黑洞的物质，都无法再以本来的形式回到我们现在的时空，这就是这一类天体被称为“黑洞”的原因。

从恒星演化而来的黑洞质量通常是太阳的几倍到几十倍——原本的那颗恒星质量可以达到太阳的一百多倍，但在演化过程中丢失了一部分。更大的那些位于星系中心的黑洞则至少是太阳质量的几十万、几百万倍。天文学家至今还没能明白，为什么从来没能发现介于这两者之间的中等黑洞。

黑洞的质量决定了它的引力半径，两者是成正比的，质量是太阳的多少倍，引力半径就是2.95千米的多少倍（这里的“半径”是从位于黑洞外的我们的角度来看，在黑洞内部，空间混沌而扭曲，长度和距离都失去了意义）。我们知道，天体产生的表面引力和它的质量成正比，和它的半径成平方反比，因此，质量越大的黑洞，它表面附近的引力反而越小。

除了质量之外，黑洞还有一个物理特征是自转。并且黑洞的自转往往非常快，一个几千万太阳质量的超大质量黑洞，自转周期可以仅仅只有两小时。这一方面是因为黑洞本来就是在旋转中产生的，半径比起原来缩小了上万倍，就好像花样滑冰选手在三周跳前要把伸展的手臂缩回胸前一样，黑洞在半径缩小的同时旋转也会加快；另一方面是因为黑洞不断地吞噬着周围的物质，落向它的物质在接近黑洞表面的时候几乎都是以接近光速的高速在绕着它旋转，为它不断地增添着角动量。

黑洞（左上角）强大的引力捕捉到了伴星吹出的星风。

作为一类天体，黑洞是非常独特的，但具体到某一个黑洞，它们就常常表现得很没个性。质量、自转和电荷是它们仅剩的个体特征——而且由于黑洞一直在吞噬周围的一切物质，它原本自带的电荷也迟早会被中和——想要从黑洞身上辨认出其他任何原来那个天体的特征都是不可能的。这就是天文学家总结的“黑洞无毛”定理。

不但自身的特征非常少，黑洞就连自身的存在都不愿意泄漏。一个潜伏在真空中的黑洞本身不会向外界发出任何信息，别忘了，连光都不能从它内部逃离。但只要周围有物质存在，它就会泄露出痕迹。就像是一个披着闪亮斗篷的隐形人，我们看不到他本身，但能看到斗篷被撑起来形成人的轮廓，那么就可以合理推断斗篷下有一个人存在。

天鹅座X-1艺术想象图

黑洞的“斗篷”

1.黑洞的第一件“斗篷”，是围绕在它身边的吸积盘。

黑洞周围的一切物质都会被它的引力吸引，落向它的表面，越靠近黑洞就旋转得越快，就好像从水池里放水所产生的旋涡，越靠近排水孔的地方水流得越快一样。在这里，黑洞就是那个“排水孔”。强大的旋转把落下的物质大致束缚在一个平面上，形成巨大的吸积盘。在吸积盘的内侧和外侧，气体的运行速度差别很大，强烈的摩擦让气体变得非常炽热。同时，高速运动的粒子发出强烈的X射线，向远处的我们暗示着黑洞的存在。因此，对地球上的天文学家来说，一个发出强烈X射线的致密天体，就是一个黑洞的候选者。比如史上第一个已经被天文学家确信为黑洞的天体——天鹅座X-1就是如此。

对地球上的观察者来说，黑洞的明亮程度取决于它周围的环境。能够被它吃掉的物质越多，黑洞就越活跃，质量的增加也越快。对一个恒星级别的黑洞来说，物质的来源最可能是一颗伴星。黑洞的引力撕扯着伴星的外层气体，在它和伴星之间形成一道物质流。最大的那些黑洞则藏身于星系的中心，星系核里丰富的尘埃和气体成为它最好的食粮，让它的周围无比明亮。

2.黑洞的第二件“斗篷”，是它从自转轴的两极喷出的又细又长的喷流。

宇宙间再也没有比黑洞自转得更稳定的陀螺了，它的质量非常大，自转又快又稳，自转轴在几百万年的时间里都不会有丝毫的变化，所以长达几千甚至几百万光年的喷流也没有丝毫的弯曲。这种喷流还是宇宙间运动最快的天体，速度可以和光速相比较。笔直而又细长的喷流是黑洞存在的又一个间接证据。

这些喷流是怎么形成的呢？比较广泛接受的解释是，黑洞吸积盘表面的磁力线随着黑洞的自转而高度扭曲，聚集在黑洞的自转轴上，越贴近自转轴的磁力线就扭得越紧，直到最终断裂。黑洞像是一个超级巨型的粒子加速器，来自吸积盘的带电粒子沿着磁力线运动，被加速之后从磁力线断裂的一端发射出去。这相当于是粒子“偷走”了黑洞自转的能量，只不过粒子太小而黑洞太大，所以这种“小偷小摸”的行为就算再过一亿年也不会有什么明显的影响。

天文学家迄今发现的最遥远的类星体。

3.黑洞的第三件“斗篷”，是环绕在它周围的引力透镜效应。

大质量的天体会让经过它们身边的光线变得弯曲，就好像凸透镜对光线的改变一样。黑洞背后的星光可以沿着表面“绕过”它，从前方的我们看起来，同一颗星星发出的光似乎来自好几个不同的方向，形成一个以上的虚像。不过，恒星级黑洞的质量不够大，引力透镜效应不明显；而星系级黑洞的周围太明亮，引力透镜效应难以辨认。

假如有一个黑洞位于大麦哲伦星云前方，其产生的引力透镜效应。

假如有一个黑洞位于银河前方产生的引力透镜效应。

4.黑洞还有第四件“斗篷”，这就是它周围天体的运动学轨迹。

天文学家利用能够穿透尘埃遮挡的射电望远镜观测到了银河系中心的恒星运动轨迹。几百万颗恒星聚集在黑洞身边很小的范围内，围绕着它飞速旋转。离黑洞越近的恒星运动就越快，最快的恒星轨道直径只有几光日（光在一天中走过的距离），速度可以达到每小时几百万公里。黑洞就位于这些恒星的运行轨道之内，从它们的轨道半径和周期可以推测出黑洞的质量，就好像从地球的运行可以计算出太阳的质量一样。天文学家推算银心黑洞的半径大约与水星轨道半径相当，质量大约是太阳的四百万倍。对银河系这样大的星系来说，这个黑洞算是相当小的，表现得也很不活跃。作为对比，我们的邻居仙女座大星系，质量大约是银河系的两倍，但中心黑洞的质量几乎是银心黑洞的十倍。而那些最活跃的黑洞的吸积盘和喷流甚至在上百亿光年之外还能观测到，因为它们的亮度和银河系里一颗普通的恒星差不多，所以被称为“类星体”。

黑洞并不是真正的“黑色”

仙女座大星系

其实，黑洞的“斗篷”固然闪亮，斗篷下的“隐形人”也并非真的是彻底隐形的。黑洞并不是真正的“黑色”，它其实也是有辐射的。根据量子理论，在真空中的每一个瞬间都有无数对粒子和反粒子产生，又立刻一起湮灭。在特别凑巧的情况下，这样的成对粒子恰好在黑洞的附近产生出来，又恰好被黑洞巨大的引力拉扯开，一个粒子落入黑洞，另一个粒子留在外面保存下来，从黑洞外的我们看来，就好像是黑洞辐射出了一个粒子一样。这种“辐射”是由英国物理学家霍金首先提出的，因此被称为“霍金辐射”。黑洞由于这样的辐射而有了温度，和质量成反比，质量越大的黑洞温度越低。我们知道，目前的宇宙微波背景辐射温度是2.7K，和这个温度相对应的黑洞质量大约和月球相当。质量比月球大的黑洞会不断地吞噬质量，温度越来越低，最终在“清空”周围的一切物质之后成长为超大质量黑洞；质量比月球小的黑洞则因为比周围环境温度高而放热，辐射出能量的同时损失质量，这样温度又进一步升高，最终损失掉所有的能量，在一次爆炸后消失无踪。不过，质量这么小的黑洞是不可能由物质的塌缩来形成的，它只可能来自宇宙诞生初期。天文学家把这种黑洞称为“原初黑洞”。原初黑洞还只是一种理论上的存在，人们猜测它们的蒸发和爆炸可能是伽马暴的产生原因之一。

关于黑洞的研究和观测仍在继续，新的问题和假说不断被提出来，又不断地陷入争议。引发问题的根源是广义相对论和量子理论之间的矛盾，比如广义相对论允许物体平顺地通过事件视界，而量子理论则发现在视界内侧会形成一道“火墙”，足以烧毁任何落进黑洞的物质；又比如量子理论认为信息守恒，而在目前的黑洞理论中，黑洞还是一个吞下信息就绝不返还的貔貅。天文学家为了解决这些矛盾和悖论想了很多办法，有的人假设奇点并不位于黑洞的中心，有的人不承认黑洞有清晰的边界，还有的人假设黑洞是“灰洞”、信息总有一天能以某种形式被释放出来等等。但这些办法都还不能解决黑洞身上的各种矛盾。这个“隐形人”的真容，还需要天文学家进一步地把广义相对论、热力学和量子力学结合起来，才能被发现。

（责任编辑 张长喜）