图说黑洞

黑洞是科学新闻中的热点话题，尤其是哈勃空间望远镜、钱德拉X 射线望远镜和XMM-牛顿空间望远镜等空间天文台发射升空，并投入观测以来，有关证实、发现和找到黑洞的报道，层出不穷。今天，对公众来说，“黑洞”已不再是陌生名词，但离真正理解它的科学含义，还有一定的距离。笔者尝试以科学图片来诠释黑洞的方方面面，希望此文对读者读解有关黑洞的科学新闻有所帮助。

什么是黑洞

“黑洞”这个名词，第一个字是“黑”，这表明它不向外界发射和反射任何光线或其他形式的电磁波——无论是波长最长的无线电波，还是波长最短的γ射线。因此，人们无法看到它，它是“黑”的。第二个字是“洞”，意思是说：任何东西只要一进入它的边界，就别想再“溜”出来了，所以它活像一个真正的“无底洞”。

也许有人要问：如果用一盏威力巨大的探照灯向黑洞照去，它会不会原形毕露？不行。射向黑洞的光，不论有多强，都会被黑洞全部“吃掉”，不会有一点反射。“洞”依然是“黑”的。因此，给这样奇特的天体取名为“黑洞”，那真是再恰当不过了。

黑洞并不是科学家在近年来才突然想到的。早在1798年，法国大科学家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace，1749～1827)就根据牛顿的力学理论推测：“一个像地球、直径为太阳250倍的发光恒星，在其引力的作用下，将不允许它的任何光线到达我们这里。”这些话又是什么意思呢？

让我们先从宇宙飞船说起。宇宙飞船要飞出地球、进入行星际空间，至少要有11.2千米/秒的速度，否则就摆脱不了地球引力的束缚。11.2千米/秒的速度，就是一个物体从地球引力场中逃出去必须具备的最低速度，所以称为地球的“逃逸速度”。太阳的引力比地球强得多，因此太阳的逃逸速度比地球的大得多，等于618千米/秒。如果一个天体的逃逸速度达到或超过了光速，那么就连光线也不可能逃出去了。这样的天体正是我们所说的黑洞，拉普拉斯所说的那个天体就是一个例子。

宇宙间没有任何东西的速度能超过光速。既然连光都逃不出黑洞，那么其他东西当然也就跑不出去了。

随着科学的发展，人们对黑洞的认识也更加深入了。关于黑洞，如今更正确的说法是：黑洞是爱因斯坦在20世纪初期创立的引力理论——广义相对论——所预言的一种特殊天体。

黑洞里面什么样？

视界与奇点由于连光也无法逃逸，成为黑洞的恒星便从观察的宇宙中消失。看不见的黑洞和看得见的宇宙之间的界线，叫做视界（event horizon）。视界内部会发生什么事情，不得而知，但是天文学家可以猜测，正在收缩的恒星还会继续收缩下去，直到收缩到无限小和无限密的点，称为奇点（singularity）。

被抻成面条如果你不幸，掉进了黑洞，那可就“大事不好”了。黑洞中的引力增长速度快得吓人，拽你脚的力量，比拽你的头的力量要大得多。你最终将被抻得又细又长，就像意大利面条。当然这只是个比喻，物质进人视界时，估计早被强大的引力疯狂撕成碎片了。

“三毛定理” 黑洞是一个几乎与世隔绝的世界，被黑洞吸进的物质会以光速坠向黑洞中心，这时除质量、角动量和电荷被“没收”成为黑洞的整体属性之外，其它所有特性，如半径、密度、温度、化学成分、磁场等全被黑洞吞没了。天文学上称这一性质为黑洞的“无毛定理”。在一次国际会议上，一位中国天文学家在谈到这条定理时，曾幽默地说：“称‘无毛定理’好像不妥，中国有个三毛，头上只长了三根毛发，黑洞也只有三个参量，是否可称为‘三毛定理’。”与会者报以热烈的掌声。

黑洞是怎样形成的

如果物体的密度固定不变，而把越来越多的东西堆积在一起，那么这堆物质的引力会随着质量的增大而越来越强，到头来，它的引力总会强到连光都不能逃逸出去的程度。例如，把质量像1.4亿个太阳多的水集中起来做成一个“大水滴”，那么它就会成为一个黑洞，这个水滴黑洞的直径大约有8亿千米。

另一种情况是美国物理学家奥本海默(Julius Robert Oppenheimer，1904～1967)和斯奈德(Snyder)首先想到的：如果恒星的质量固定不变，并让它们不断收缩下去，那么恒星的密度会越来越大，这样，它的引力场也会越来越强。所以，只要一直收缩下去，它迟早也会变成一个连光也逃不出去的黑洞。譬如说，如果太阳收缩到半径只有3千米那么大，那么它就会变成一个黑洞。这个半径只有3千米的小圆球，密度却大得简直难以想象：在1立方厘米的体积中竟包含了200亿吨的物质！这两位物理学家根据爱因斯坦的广义相对论，分析了恒星在自身的引力作用下坍缩的过程，并在1939年提出了比较准确的黑洞理论。所以，人们常把1939年算作现代黑洞理论诞生的年份。

黑洞的种类

科学家认为宇宙中应该有三种不同类型的黑洞：恒星级黑洞、星系级黑洞和原生黑洞。

恒星级黑洞有些恒星真是巨大——比太阳要大上几十倍。它们度过的是辉煌而短暂的一生，只能活几千万年。当这样的一颗恒星消亡时—— 超新星爆发之后，它庞大的身躯在引力的作用之下的收缩是不可阻挡的。宇宙中没有任何力量能够抵御这一垂死挣扎的庞然大物的压力，即使原子内部的核动力也无能为力。恒星越变越小，而它的引力却越拉越大。最终恒星收缩到如此微小的地步，以至它的引力高到任何东西都无法从它那里逃脱——甚至是光线和其它射线。这时恒星级黑洞就形成了。

星系级黑洞在星系的中心部分，恒星非常密集，星体之间容易发生大规模的碰撞和合并，结果形成一些质量极其巨大的天体，这种超大质量的天体坍缩后，可以成为质量超过太阳1亿倍的黑洞。

原生黑洞根据大爆炸宇宙学的理论，造成宇宙膨胀的那次“大爆炸”具有异常巨大的力量，它把一些物质挤压得极其紧密，这样就形成“原生黑洞”。它们的尺度极小，通常只有一个基本粒子那么大（10-13厘米），可是质量竟和一颗小行星差不多。

黑洞会蒸发

黑洞的“只进不出”，让它获得“宇宙中最自私的怪物”的称号。可是现代天体物理学发现，黑洞也会“喷射”一些物质。这不是太奇怪了吗？

1976年，有着当代爱因斯坦之称的英国物理学家霍金提出黑洞蒸发的新理论，指出真空并不是一无所有，而是存在着数量相等的正、反粒子对，它们之和虽然为零，但它们的存在和起伏会影响物理过程。物质和反物质在经过黑洞附近时，可能一个掉入黑洞，同时将另一个排出黑洞，这意味着黑洞能产生和发射一些粒子。在这个过程中，黑洞因慢慢地辐射能量而逐渐地蒸发掉。其蒸发的速度随着黑洞变小而加快，最后突然爆炸。

怎样发现黑洞

从双星中寻找黑洞黑洞虽然无法直接观测到，但是它强大的引力场却会影响附近天体的运动，于是人们就可以根据那些天体的运动情况来推测黑洞的存在。如果双星中一颗是普通恒星，另一颗是黑洞，虽然看不见黑洞，但是能从普通恒星的运动轨迹，分析出那个看不见的伙伴质量有多大，如果质量超过中子星的质量上限，那么就有可能是一个黑洞。但是这种判断往往有不确定性，因为大质量伴星不一定就是黑洞，也可能是聚星。那么，是否

有更好的办法呢？

黑洞的蛛丝马迹天文学家预言，当物质即将到达黑洞时会发射很强的X射线和γ射线，所以如果一颗暗伴星发射X

射线和γ射线，而且质量很大，那么就可能是一个黑洞。因此，X射线和γ射线这类高能辐射也就成为搜寻黑洞的重要线索，这也就是为什么哈勃空间望远镜、钱德拉X 射线望远镜和XMM-牛顿空间望远镜等空间望远镜上天之后，有关发现黑洞的科学报道特别多的道理。

天文学家推测，太空中一个叫“天鹅座 X-1”的强X 射线源很可能就包含着一个超过3倍太阳质量的恒星级黑洞；在一个名叫M87椭圆星系的中心核中则可能存在一个质量比太阳大90亿倍的星系级黑洞；在我们的银河系中心也可能存在星系级黑洞。天文学家的这些推测已被越来越多的观测结果所证实。