为什么宇宙中有这么多黑洞

□ 编译 / 谢 懿

为什么宇宙中有这么多黑洞

□ 编译 / 谢 懿

根据星团、恒星和盘的有关物理学，黑洞是宇宙不可避免的产物。

20世纪30年代，研究宇宙线的天文学家见证了一个“奇迹”发生的时刻。他们发现了一种新的粒子——μ介子，它像电子一样带一个负电荷，但质量却介于电子和质子之间。这一发现是如此令人吃惊，而这种粒子又是如此的意料之外，使得诺贝尔奖得主伊西多・艾萨克・拉比（Isidor Isaac Rabi）不禁调侃道：“这是谁点的？”

对于今天的很多人来说，能引起同样反应的事物已不再是介子，而是黑洞。天文学家已经知道质量最大的恒星会以超新星爆炸的方式死去，留下一个质量约3～20个太阳质量不等的黑洞。他们还相信，在绝大多数星系的中心存在着质量为太阳的100万～100亿倍的超大质量黑洞。

这又是谁点的呢？为什么天文学家会认为这些质量如此之大、体积又如此之小的天体无处不在？难道是天文学家们钟爱这些连光也无法逃逸的极端天体？

回答并非如此。其实，许多天体会非常自然地演变成黑洞。尽管令人生畏，但主宰这些演化过程的规律却十分普通。

由引力束缚在一起的所有天体，其演变的过程都是相似的。这些自引力系统包括恒星、星团和星系，但并不包含小行星或人体这样的固态物体，它们是由静电力结合在一起的。

自引力系统会朝着它们所能达到的最紧密的引力束缚态演化。为了实现这一点，它们会形成一个体积较小且质量较大的核心，但代价是在外面会形成一个较为弥散的晕。不同的天体系统之间在细节上会存在差异。但共同的结果始终是有一部分的质量会在中心处形成一个小而致密的天体。行星、白矮星和中子星正是这些终端产物，它们一般不会再进一步演化。然而，如果质量足够大，没有什么能阻止白矮星或中子星进一步收缩，引力最终会胜出。这正是为什么黑洞能在各种不同的情况下形成的原因。

草帽星系位于室女座，是一个几乎侧向对着地球的普通旋涡星系。它包含了一个核球和一个盘。天文学家认为其核球的形成方式与椭圆星系的如出一辙，是通过两个星系间的碰撞与并合而形成的。版权：NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScI/AURA)。

球状星团核心坍缩

形形色色的天体都有着相似的演变路径。即使是没有黑洞的系统最终也会形成致密的核心。这一演化的绝佳范例就是球状星团。它们是我们可以考虑的最简单的系统，因为球状星团只包含恒星，而恒星间仅通过引力发生相互作用。恒星之间不会碰撞。恒星与恒星之间引力的强弱和它们之间距离的平方成反比。当恒星彼此靠近时，它们之间的引力会变强得多，进而散射对方，有时这一过程会非常剧烈。那么，接下来会发生什么呢？

与之类似的一个日常生活中的例子可以为我们提供答案。设想在一个漏斗状的滑冰场上有许多滑冰的人。假设冰面没有摩擦，所以只要不受其他人的干扰，任何一个滑冰者都会不停地沿着圆形或者椭圆形的轨迹绕滑冰场漏斗的中心运动。漏斗的形状意味着越靠近漏斗中心的滑冰者就必须滑动得越快，就像开普勒定律所描述的行星绕太阳的运动。

位于飞马座的球状星团M15是银河系中最致密的星团之一。其数十万颗恒星之间无数次的交会使得质量较大的恒星下沉到其核心，而质量较小的则被抛射了出去。迄今银河系中只有大约20%的球状星团经历了这样的核心坍缩过程。版权：NASA/ESA。

假如滑冰场上的滑冰者很少，那么它们彼此之间就几乎不会相互干扰，每一个人的运动轨迹几乎都独立于其他人的运动轨迹。不同的滑冰者会沿着不同的方向以不同的速度运动，越靠近中心，速度越快。类似地，在球状星团中，恒星到其中心的距离各不相同，它们会沿着随机的方向以近乎随机的轨迹运动。

现在让我们来研究一下当滑冰者——恒星也是一样的——彼此靠近时会发生什么。在最简单的情况下，所有的滑冰者都有着相同的质量。当两个滑冰者足够接近彼此时，他们就可以握住对方手。如果假设只要能抓到另一方的手，他们就会把对方甩出去，那结果就是这两个滑冰者会改变各自的运动方向，但运动的速度不变。在经过了许多次这样的相遇之后，不同滑冰者的轨道会重新分布，但整个系统几乎没有发生变化。

现在想象一下在滑冰场中有一个滑冰者比其他人的质量要大得多。当大质量的滑冰者和一个质量较小的滑冰者彼此握手将对方甩出时，由于碰撞过程倾向于能量均分，因此大质量的滑冰者会减速，而质量小的则会加速。

这个滑冰场忠实地再现了在球状星团中所发生的过程。如果一个滑冰者突然增速，就运动到远离中心的地方，甚至有可能从该系统中逃逸。与此同时，质量较大的滑冰者会减速，落向中心。在这一过程中，其速度必然要增加，因为越靠近中心，运动速度越大。

在经过了许多次的交会之后，演化的趋势是使得质量较大的滑冰者落向中心，质量较小的则远离中心。当这种情况发生在一个球状星团内时，该过程被称为核心坍缩，而小质量和大质量恒星分离则被称为质量分层。于是，在星团的中心附近聚集着许多大质量的恒星，而这些恒星在其轨道上会以更高的速度运行。

即便所有的滑冰者都有着相同的质量，类似的情况也会发生。当质量相同的滑冰者甩出彼此时，虽然速度的大小不变，但他们的运动方向会改变。不过，这仅仅是近似。不同的滑冰者有着不同的运动速度，所以即便他们有着相同的质量，各自的动能也不尽相同。交会会仍倾向于均分滑冰者之间的动能。速度快的会倾向于减速并落向中心，而速度慢的则会增速并向外攀升。核心坍缩过程仍会发生，只是速度会慢得多。

恒星和星团的演化

现在让我们来讨论滑冰者或者星团的演变，为此需要给它注入一道由高温处流向低温处的热流。温度是对构成物体的粒子在微观层面上振动速度的一种度量。振动的速度越高，温度就越高。在星团中，恒星的平均速度可以与某一个温度相连。为了维持其轨道，距离中心较近的滑冰者或天体必须以较高的速度运动。于是，越接近中心的地方，温度就越高。当速度较快的滑冰者甩开较慢的时，后者会被加速，这相当于热量从温度高的地方流向低的地方。正如在地球上热量会从高温的火苗流向低温的空气，在星团中热量也趋于向外流动。其结果是，星团的核心变得更加致密，而其外层则会变得更加松散。

不过，这里存在着一个重要的区别。随着星团的核心变得越来越致密，在其中心附近就会聚集越来越多的物质。因此，天体间的引力会变得更强，它们也必须运动得更快。这意味着，星团拥有一个与我们日常生活直觉相反的特性。随着热量流出球状星团的中心，那里的温度并没有降低。相反，它却升温了。这不会发生在地球上一堆烧红的煤炭上，也不会出现在当你在冰冷的海水中游泳时。但这却是轨道动力学的基本行为特征。于是，任何一个有随机运动恒星所构成的星团必然会演化出一个越来越致密、越来越热的核心和一个越来越松散的外层。

虽然大熊座中的旋涡星系M81有着与银河系相似的结构，但它的核球要更为年老，也更为巨大。M81的核球极有可能形成于一次很久之前的碰撞以及之后与另一个星系的并合过程。版权：NASA/ESA/ THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScI/ AURA)。

为什么恒星以这样的方式死亡？

对星团演化的认识可以直接转化对恒星死亡的认识。虽然在演化过程的细节上有所不同，但大的图像却是极为相似的。

在恒星一生中绝大多数的时间里，它都是由核聚变过程来驱动的，该过程发生在温度足够高的恒星核心处，会把氢转变成氦。由此释放出的极端高热会产生能抵御恒星自身引力的气体压强。热量会从恒星表面流失，不过它们会由恒星内部的核反应来补给。所以，对于太阳来说，它在大约100亿年的时间里几乎不会有变化。这并不是意味着太阳真的没有在“演化”。相反，这是由于其中央热源所造成的演化推迟。

当恒星的核心完全被转成氦且温度过低而无法点燃氦核反应时，热会继续从核心流出，但却无法再得到维系。恒星中心就会冷却。气压会下降，引力获胜。恒星的核心开始坍缩。但是，正如在星团中所发生的，坍缩会使得温度升高。这导致更多热量向外流出，使得恒星变亮。为了应对这个流出的能量，恒星的外层会膨胀，成为一颗红巨星，而它的核心却在坍缩。星团的演化与之类似。

接下去会发生的事情取决于气体物理学，会有别于星团的演化。恒星核心的温度会变得极高，以至于原子会分解成可自由运动的原子核和电子。但是，电子具有一种基本属性，除非被施加了巨大的能量，否则它们不会过于靠近地聚集在一起。这种抵抗挤压的阻力称为简并压，它可以支撑住恒星的核心，只要它的质量别太大。如果核心的温度足够高能够开启把氦转化成碳的核反应，那么由这些反应所产生的能量会再一次推迟其演化的进程。

旋涡星系M94位于猎犬座，是由角动量输运过程所打造出来的。随着它的演化，气体会从其中心向外流动，形成了一个环绕其星系盘的环。在它的明亮中心处有一系列的星暴活动，而在其核心则潜藏着一个超大质量黑洞。版权：ESA/HUBBLE/ NASA。

与此同时，红巨星的包层会向外膨胀，形成行星状星云。其中心则留下了一颗白矮星，由于无法进一步坍缩，它会逐渐冷却。或者，如果核心的质量太高，电子简并压也无法抵御引力，那么它就会继续坍缩，直到质子和电子被迫结合成中子。此后，它会通过中子简并压来抵抗引力。这正是中等质量恒星死亡形成中子星的原因。

但是，如果恒星的质量足够大，那么其核心的质量就会达到即使是中子简并压也无法抵御引力的程度。目前还不确切知道比中子简并压更强大的压力。于是，该核心会继续坍缩，因为它的温度非常高，辐射会带走可以产生压强的热量。引力不会留下任何的余地。没有其他东西可以再抵挡引力了。如果核心的质量足够高，就必定会坍缩，它会变得极其致密，使得引力可以战胜其他任何妄图与之对抗的作用力。天文学家们还在研究这其中的细节，但可以确定的是坍缩成黑洞不需要非常特别的前提条件。只要质量足够大，每一颗恒星都能做到。那么质量要多大呢？这是一个我们迄今没有确切知晓的细节。回答是约20个太阳质量。

因此，恒星的演化包含了一系列的核心坍缩（当引力占据主导时）和包层膨胀（来应对不断增强的辐射）以及穿插于这两者之间由中央核聚变供热的平衡期。很自然地，只要恒星质量足够大，黑洞会是其不可避免的产物。这就是为什么在我们的银河系中黑洞——以及其他的致密天体——无处不在的原因。

位于长蛇座的棒旋星系M83形似于我们的银河系，也是一个由角动量向外输运所造就的典型星系。其中心的棒状结构会搅动气体，使得它们的角动量重新分布，引发星暴。在它的中央也存在一个超大质量黑洞。版权：NASA/ESA/THEHUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/ AURA)。

旋转盘的作用

恒星和星团由抗衡引力的压强来维系。因此，随着热量向外传输，它们也会随之演化。与之形成对比的是，旋转的盘通过自转来对抗引力。因此，它们会随着转动的变化——被称为角动量输运——而演化。除去这一差别之外，这两种系统的演化是相似的。

滑冰场的类比在这里依然有效。区别在于现在滑冰者都在以近圆的轨道上运动且速度大致相同。但是，它依然会发生同样的事情——不同类型的自引力系统都会演化出一个越来越致密的核心和一个越来越弥散的外晕。

原行星盘演化的方式与滑冰场的类比最为相似。较重的物体会甩出较轻的。木星会向内迁移，温度也会升高；而海王星则会向外移动，渐渐冷却。这是由散射原行星或星子、还是通过与盘中的波相互作用所导致的，仍是一个需要确认的细节。但它很好地解释了为什么天文学家会在太阳系之外发现如此众多非常靠近其宿主恒星的巨行星。天文学家相信，这也发生在了我们的太阳系中：木星也曾朝向太阳迁移——幸运的是，它只移动了一点点。天王星和海王星则向外移动了几个天文单位。在这个过程中，海王星就像推土机一样把柯伊伯带天体也向外推。太阳系和太阳系外行星系统的所有这些方面都是“内紧外松”演化方式的后果。

原恒星盘也类似于原行星盘。随着盘中的物质下落到原恒星上，它也会随之生长，不过磁场会减小这些下落气体的速度。结果是一样的：形成一个高密度的核心——恒星，而其他的物质则向外转移。

黑洞周围的吸积盘也以同样的方式运转。在黑洞附近，吸积盘的转速接近光速，因此摩擦力会把气体加热到极高的温度。由此形成了会发出耀眼光芒的类星体和其他活动星系核。在这些高温气体中，磁场和摩擦力会主宰其演化过程。一些气体会落入黑洞，但其他的则会被抛射出去。在类星体中，这一抛射会以粒子喷流的形式从吸积盘自转轴附近射出，就像一条由气体构成的火舌，可以延伸出数百万光年。（原恒星盘也会沿着其自转轴射出气体喷流。）

所以，黑洞的生长是一个极端但却又十分自然的过程，与天文学中许多其他的演化过程息息相关。它完全不需要独特而神奇的设计。就像之前所提到的那些演化过程，只要大自然的物理学规律允许，它就会沿着“内紧外松”的道路演化下去。于是，对于一个业已形成的黑洞来说，它的质量会变得越来越庞大。

最后，类似M83和M94这样旋涡星系的盘也会通过向外输运角动量来演化。只有在因棒状结构形成到使得盘失稳时，星系才会演化。当盘中的气体与其相互作用时，棒状结构的作用就像一根搅棒，搅动周围的气体，使得角动量重新分布。这一过程造就了类似M94这样的星系。一些气体会向外运动，通常会形成一个围绕在盘之外的环。其他的气体则会落向中心，在那里它们会变得非常稠密，导致恒星的爆发式形成。这正是我们在这些星系中所看到的。M83和M94的明亮中心就是由星暴所造成的。其结果是会在星系的中心附近形成一个致密的恒星子系统。

几十年来，天文学家一直困惑于星系的这一中心结构，被称为核球。核球呈近似球形，包含有致密的星团，与椭圆星系十分类似，可能是星系碰撞与并合的结果。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，并非通过星系并合，M83和M94正在缓慢地形成一个赝球核。

赝球核对于认识超大质量黑洞是如何影响星系演化而言非常重要。天文学家们已经发现，黑洞和核球能够控制对方的生长。但是，黑洞对赝球核或星系盘的生长却没有明显的影响。

超大质量黑洞的起源

在早期宇宙中，第一代恒星形成于几乎完全是由氢和氦所组成的气体。天文学家认为，第一代恒星中的一些其质量会比在今天所形成的任何恒星都更大。这些恒星的死亡会形成数百个太阳质量的黑洞。这一现象发生在小型的原星系中，而原星系间的碰撞与并合则形成了今天所见的星系。目前最好的猜测是，许多恒星死亡留下的黑洞残骸并合形成了质量达数千个太阳的黑洞，它们是超大质量黑洞的“种子”。然后，通过并合和吸积气体，它们会进一步生长。

巨椭圆星系M87位于室女星系团中，在其中心有一个超大质量黑洞。在哈勃空间望远镜所拍摄的这幅图像中可以看到一道由该黑洞周围的吸积盘所发射出的高速喷流。天文学家认为，在几乎所有的大型星系中央都存在有质量至少是太阳数百万倍的超大质量黑洞。版权：NASA/ ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)。

在认识宇宙宏大图像的过程中，存在着一种惊人的美丽和力量。许多不同类型的天体系统——从我们银河系中近邻恒星系统到早期宇宙中的黑洞——都有着本质上相似的演化方式。通过一切可能的物理过程，引力会使得任何一种天体都演化到其所能达到的最致密的结构状态。这会形成一个致密的核心和一个弥散的外晕。当看到不同的天体系统都有着相似的演化轨迹时，这也增强了我们对它们每一个认识的信心。

当这些过程在构建越来越致密核心的道路上行进得足够远之时，天文学家相信，黑洞将会是这一简单物理规律下自然且不可避免的产物。

（责任编辑 张长喜 ）