黑洞永葆宇宙之青春

□ 陈壮叔

黑洞永葆宇宙之青春

□ 陈壮叔

恒星演化

夏日的夜空，繁星点点，有如此众多。其实，我们看到的仅是一小部分。整个可察宇宙含有1000多亿个星系，而一个星系，如我们的银河系就拥有2000亿颗恒星。

万事万物皆有始终，理论家说，我们太阳出生于46亿年前，大概还能活上50亿年，届时它将平静地“死”去，而留下颗密实（达109~1011克/厘米3）的星核，而目前其密度为160克/厘米3）。天文界把这种天体称为白矮星，表面温度达几十万度。

天上的星星，肉眼看上去几乎都是一个小点，其实，有的星球可达太阳的20倍，甚或100倍。就拿20倍太阳的星球，其死亡（即星球内部核燃料燃尽）时又是如何呢？此时，这颗巨星之星核不断地内向聚合，温度升高到1000亿度，而引力还是不停地挤压。一块喜马拉雅山大小的铁块，一下被挤压成一颗沙粒般的东西。原子皆碎裂成电子、质子、中子，它们可再化成轻子、夸克、胶子。这样一直下去，越来越小，越益密实，直到无人知道的程度。

黑洞为何物？

我们用以解释宇宙运行，也是现代科学的二大支柱，即广义相对论和量子论，在这里却无法施展身手。

黑洞是一个宇宙中的深渊，任何东西一旦落入其中，就一去无返，即使是光也不例外，而光是宇宙的极限速度，这就是说，其引力极度强烈，以致使我们无法了解黑洞的内部，就这样，它跟宇宙的其余部分相分隔。而把黑洞内、外划开的界限，称为视界。也即任何事物，一旦穿过视界，就永远消失。

我国有句民谚：耳听为虚，眼见为实。可是现在理论家一开始就告诉你，黑洞是看不见的，那么他们怎么知道有黑洞？1916年，爱因斯坦建立了广义相对论，这是一种有别于牛顿的引力理论。就在几个月后，德国天文学家史瓦西，从爱氏方程中得出了黑洞的解。

说来也令人尴尬，虽爱氏知道，黑洞出于他的方程，但他不相信，大自然中真的存在黑洞。他最感到不能接受的，是微弱的引力竟然超过了所有其他自然力（电磁力、强力、弱力）。在微观世界中，若以电磁力为1，那么引力比它要小37个数量级。而今一颗巨星之芯核，因引力而从宇宙中消失。

其实在当时，也非爱氏一人不信，在20世纪上半叶，大部分物理学家也不大同意此说。一直到了1967年，美国物理学家丁•惠勒，使得黑洞成了响名。就在这个时期，黑洞思想有了很大变化，这主要借助于新的观测技术。在天文观察上，过去一直限于可见光，而20世纪60年代，X射线望远镜和射电望远镜，开始被广泛应用。这就使得天文学家，看到了过去看不到的天文事物。

天文学家十分惊奇地发现，绝大多数的星系中心，都富含星球、气体、尘粒，且形成了一个凸出的区域，而在这个无序区域的中心（包括银河系）也是一个重而密实的天体，其极强烈的引力拉力，只能表明那是一个黑洞。

这些黑洞皆极大，我们银河系的这个巨型黑洞，是太阳质量的430万倍，而我们的邻居仙女星系的中心黑洞，是太阳的1亿倍；其他一些星系，有的为太阳的百亿倍，这些黑洞并非一开始就如此巨大，它们靠捕食而长大。黑洞专家相信，较小黑洞皆漂流在星系的郊外。

图1 从侧向看过去的银河系

图2 黑洞概念图

银河系中心的黑洞

图3 黑洞吸积物质

经过一代人的努力，黑洞从笑话变成广为接受的思想。最终表明，黑洞在宇宙中相当普遍，可能有几十亿个。没有人见过一个黑洞。那里什么东西也看不到，只是空间中的一片空白。它的存在，是从其周围物质所受到的引力效应，而从中推论出来的。

若大多星系中心没有黑洞，那么天文事件将变得更为无常了。或许未来，一切疑惑皆可一扫而去，天文界正打算观察黑洞吞食的激烈过程。

银河中心的巨型黑洞，离我们约26000光年，称人马座A*。它是一个安静的黑洞，若像活动星系、类星体那样，狼吞虎咽着星球，那我们就遭殃了。但没有人能保证，我们星系的中心黑洞永远是安静的。据天文界的观察，人马座A*现在开始开胃口了，它目前正拉着一块气体云G2，以2880千米/秒的速度，向它奔去，用不到一年的时间，G2将接近人马座A*的视界。

现在有关的天文机构都在忙碌起来。例如，哈格得（英国西北大学）说，“这可能是我们了解黑洞吞食的最佳机会，因为它就在我们星系中心。”他们已将最新型的仪器对准人马座A*，那是NASA（美国宇航局）的核光谱望远镜阵列（Nu STAR）。它于2012年升空，可详细观测天空，能测到高能X射线，那是盘旋在黑洞边上的高温气体，发出的激烈辐射。去年，Nu STAR探测到来自人马座A*的爆发，那可能是盘旋着的气体穿过磁场时，发出极明亮的闪光，或者，也有可能产生一条狭长的能量射流。人马座A*的这种小喷发，可能向我们显示出，这些射流产生的线索。

而按纳亚克兴（英国累斯顿大学）的看法，这一小喷发，是一个比G2（3个多地球质量）小得多的高温（1亿度）气团（一颗行星的残留部分），它们正向中心落入。纳氏说，每10万年左右，总有一颗不幸的行星，终于这样的结局。

在过去的10年中，还有二颗X射线卫星，一直在关注着银心。哈氏说，“我们可从这些观察回溯到过去，从而看清，在最近的100年前，有一个甚强辐射来自人马座A*，”现在还说不清其起因，由于望远镜的分辨力还不够。

最令人兴奋的是，全世界的所有射电镜都将聚焦于人马座A*，并对它作同步观察，从而形成了一个相当于地球尺度口径的望远镜，称之世界望远镜（EHT），有望摄下黑洞在行动中的图像，当然这不是黑洞本身，而是指其周围物质吸积盘的活动。这可为黑洞存在的有力证据。

永葆宇宙之青春

我们知悉黑洞的存在，还有助于我们了解宇宙之构造。向黑洞猛飞的物质，势必产生大量的摩擦热；黑洞还自转着（它基本上是空间的漩涡）。摩擦热与自转相结合，就导致大量物质落入黑洞。有的大量物质并非穿越视界，仅是从近旁飞过，而其中90%的物质也会被拉进去。

吸积盘中的是高温物质，形成喷流，猛向空间射去，以近光速离开黑洞。这种喷流往往长达数百万光年，笔直地穿越一个星系。从另一方面来说，黑洞搅拌了星系中心的老星球，并将这一过程中所产生的热气体，运送到星系的外围区域，它们逐渐地冷却、凝聚，最终产生新的星球。使得星系清新，故黑洞使得星系永远保持活力。

说到这里，我们要谈清有关黑洞的两个问题。人们往往认为，黑洞具有无限的引力，其实不然。一个黑洞的真空能，决不可能大于通常的星球，它正好拥有跟它尺度相对应的抓捕力。若我们的太阳突然变成黑洞，它将保持同样的质量，虽其直径将缩短至6.4千米（指视界）。地球将变得黑暗和寒冷，但它的绕日轨道依然不变，这个太阳黑洞，仍跟过去（全尺度）一样，以同样的引力抓住地球。

第二个问题是时间，黑洞跟时间具有十分奇怪的关系。就如爱因斯坦所发现的那样，时间也受到引力的影响。若你将一台极准确的时钟，置于摩天大楼每一层的地板上，它们的走时速率都是不同的。在较低的层面（即较接近地心），那里的地心引力较强一点，故钟的走时，低层的将慢于高层。可是我们谁也没有发现这些，那是因为它们之间的差别太小了，仅为十亿分之一秒。

穿越视界

若有一位探险家用火箭射向人马座A*，他容易接近视界，但不要穿过去，那么他在那里化上的一分钟，在地球上将是过了一千年。这很难令人相信，但科学家确信如此，这就是引力战胜了时间。

若你穿过了视界，又将怎样呢？一个在视界外面的观察者，他将不会看到你掉进去，在他看来，你将一直待在视界边上，一直这样下去。

虽然外面的观察者从未见你落入黑洞，那么你自己又将如何？人马座A*很大，若从中心至视界足有1300万千米。当你跨越视界，有可能此时会出现火墙（量子论的看法），它从里面一直延伸到视界的上方，那么你就被烧毁。

但相对论预言，当你穿越视界时，什么事也不会发生，实际上，你已丢失了宇宙的其余部分，但你一切完好。黑洞很深，但它有底，但你无法活着见到它。随着你的落入，引力越来越强，若你的脚首先进入黑洞，你现在感到，脚上受到的引力比头部更强，最终你被撕裂，物理学家把此过程，称之面条化。

但黑洞中心（奇点）仍是一个谜。欲了解奇点，将是科学史上的一个大突破。你首先须建立一种新理论。一种超越广义相对论（它描述星球、星系的运动）的理论，你还要超越量子论，它预言微观粒子的运动。这两种理论皆很好地接近真实，但在一个极端的地方，如在黑洞内部，它们皆不适用。

奇点被想象成极小、极小的点，即使放大几亿亿亿倍，你还是看不到它；它是如此之小，可是它却是难以想象地重。现在，极大部分物理学家皆信其存在，可是却不知奇点内部是什么？球、星系的运动）的理论，你还要超越量子论，它预言微观粒子的运动。这两种理论皆很好地接近真实，但在一个极端的地方，如在黑洞内部，

奇点被想象成极小、极小的点，即使放大几亿亿亿倍，你还是看不到它；它是如此之小，可是它却是难以想象地重。现在，极大部分物理学家皆信其存在，可是却不知奇点内部是什么？

笔者感到，宇宙的运行正是辩证法对立的统一的一个伟大实例。

137亿年前，空间中的一个奇点，突然大爆炸，能量和物质井喷而出，一直发展到现在这个样子；视界内的那个奇点，正好相反，它要抓捕万物，万物一旦进入视界即行消失。看上去，似乎前者是创生，后者是毁灭。可是前文谈到，实际上，中心黑洞在为星系作新陈代谢的工作，它的存在，正为宇宙永葆青春。

（责任编辑 张长喜）