黑洞

黑洞

贪婪的黑洞原本是恒星

实际上，黑洞概念的提出已经有200多年了。1783年，英国人约翰·米歇尔（John Michell）第一个提出丰在质量足够大并足够紧密的恒星——它的引力是如此强大，以致连光线都不能逃逸。几年后，法国科学家皮埃尔-西蒙·德·拉普拉斯（Pierr—Simon de Laplace）也在他的《世界系统》一书中提出了和米歇尔类似的观点，但非常有趣的是，此书的第三版和以后的版本中再也不提此事了，或许他觉得这个想法过于荒诞了。在一个多世纪以后，德国的天文学家卡尔·施瓦西 (Karl Schwarzschild)于1916年求解出了爱因斯坦广义相对论方程的第一个严格解。这个解预示可能存在一类巨大天体，这就是60年代后人们所称的“黑洞”。第一次“看到”黑洞是在1971年，那时通过1970年12月12日美国发射的小型天文卫星“自由号”(Uhuru)，发现了一个来自天鹅座区域的很强的x射线脉冲源，它被命名为天鹅座x-l，这是第一个被具体确认的黑洞。从那以后，黑洞变成了天体物理学的热门课题。今天，我们对黑洞的形成过程已有很多了解，简单地说，黑洞是质量巨大的恒星在超新星爆发后坍缩(即自身极强烈的收缩)而成的。我们可以把黑洞想像成一个巨大的“磨碎机”，它把吸进的物质磨碎。它的中心被称为“磨碎点”，也就是所谓的“奇点”。在此“奇点”，科学定律和我们预测未来的能力都失效了。黑洞的边界被确为“视界”，这是一个有去无回的界面，只要跨过这一界面就落入了黑洞的内郡。不过假设有人不幸掉进去的话，他首先看到的是被黑洞捕获的光线，而且这些光线呈螺旋状进入引力旋涡。

逐渐展露面目的黑洞

人们猜想包括银河系在内的众多星系的中心区域都有许多黑洞。有许多迹象都支持这种猜想。我们可以观测到，太空中有一些物质围绕一个中心极快地旋转，这表明存在一个引力巨大的引力中心——黑洞。而黑洞及其伴星发射的X射线辐射则将研究带到了更清晰的层面。第一个落网的黑洞是天鹅座X-1，它的质量是太阳的6倍，距地球8000光年。这个黑洞的伴星是一个质量超过太阳20倍的蓝超巨星，它发射的气体尘埃形成一个称为“吸积盘”的气体圆盘，正是这个吸积盘表明了黑洞的存在。

在我们的银河系内，其他一些天体也已呈递了表明自已黑洞身份的证书。例如，距地球8000光年的AO620-00和尚未测出距离的GX339-4，与麦哲伦云毗邻的两个天体LMCX-l和LMCX-3等。其他河外星系中同样发现了可能的黑洞，它们以每秒千万公里的速度吸进星际气体并喷出强大的射流。

目前已知的保持最高纪录的黑洞是质量超过太阳50亿倍、位于室女座的M87星系。在这个黑洞面前，我们的星球简直是轻如鸿毛。

许多星系的核心都可能隐藏着相当数量的黑洞，如同银河系的核心那样，那里是许多年老恒星的共同坟墓。一个有待验证的黑洞是人马座A，它是一个双星系统，而且应该有一个巨大的吸积盘，并能发射巨大的能量。它虽然还不敢与M87星系的实体竞争，但也非同小可——其质量可能是太阳的350万——500万倍。

跳舞的恒星

某些情况下，一个双星系统可以演化为黑洞。在已变成黑洞的恒星周围仍有一个可见的伴星在旋转，从伴星表面被吹起来的气体物质落向黑洞，围绕它旋转，形成一个圆盘。惠勒形象地将这种现象比喻为两个舞蹈演员在跳华尔兹——穿深色衣服的黑洞带领穿白色衣服的女舞伴旋转。而从恒星舞蹈中涌出的X射线使我们察觉了黑洞的存在。这种看法被罗马天文台的路易吉·斯泰拉（Luigi Stella）和罗马第三大学的马里奥·维耶特里(Mario Vietri)于1997年11月的发现进一步证实。根据罗西X射线时变探索者号天文卫星（简称RXTE）的观察结果，两位科学家指出，从密度很大的天体发射出的X射线辐射是受时空拖曳这一特殊现象支配的，而这种现象只能以黑洞的存在来解释。

假如你跳进黑洞

如果有两艘宇宙飞船在空间一前一后驶向一个旋转的黑洞，第一艘飞船准备勇敢地牺牲自己，而你在第二艘飞船观察它的“表演”，你将会看到怎样的情景呢？设想在第一艘飞船上的是一位“智能”机器人，在接近视界，即到达有去无回点的黑洞边界时，机器人宇航员走出飞船去迎接死亡。他将被黑洞最近部位极强的引力吸引碎成两半，然后在刚接近时空突然消失的奇点 (黑洞中心)时就毫无察觉地被吞没了，飞船也在被吞没前被强大的引力撕得粉碎。这个引力有多大呢？对一个质量与太阳相当的黑洞而言，一个2米高的人在通过它的视界时必须承受相当于地球表面10亿倍的重力加速度。为了不落入黑洞，你必须借助足够大的发动机的推力将飞船停靠在安全距离内或围绕黑洞飞行。在你看来，准备牺牲的飞船似乎用了无穷尽的时间接近黑洞，而且飞船的速度越来越慢，同时改变了颜色，但在你能够看到飞船处于静止之前，飞船就从眼中消失了。之所以产生这种现象，是因为根据相对论，时间的流逝取决于观察者的速度。

这次黑洞之旅我们看到，一个旋转的黑洞就像一个旋转的中间有孔的圆盘。它有两层界面，里面的一层即为视界，外面的一层则被称为“静止界限”或无限红移面。在这两个界面之间的是一个特殊的区域，称为“能层”。在静止界限上，时间被“冻结”，辐射被无限地红移，飞船停留在一个固定点上，飞船上的机器人宇航员看到的星空将不再变化，而黑洞则在他的脚下急速旋转。如果越过静止界限，进人能层，飞船将被拖人旋转的运动。

能层有一个令人惊奇的特性，玉如英国数学家罗杰·彭罗塞(Roger Penrose)指出的那样，进入其中的物体的能量可以变成负值。我们不妨将这个物体想像成一个负有能量债务的人，当黑洞俘获这个物体时，黑洞的能量不是增多而是减少了，因为黑洞必须“偿还”它的猎物欠下的能量债务。

神奇的黑洞之旅

假如有魔法使一个宇航员能乘飞船安然无恙地钻到黑洞内部，那他就会给我们讲述许多惊人的事。由于场面是一个旋转着的黑洞，那他讲述的就可能是经过能层的情景，在那个区域中的一切运动都按黑洞旋转方向转动。钻到这个地区后，飞船也可能会不停地上下升降，从这个区域进进出出。当然这要有足够的燃料。

如果我们倔强的宇航员决心再往前走，一直钻到被称为视界的第二个界面，他会发现，在某些条件下，由于极强的离心力，飞船会留在那里永远旋转而不再下沉，但也没有出来的可能性。这一情形类似露天游乐场转动的大圆筒，它把人挤压在筒壁上，只要圆筒一直旋转人就无法移动。

黑洞本身就是一个神秘的物体，它像一台失控的计算机，可以吞下任何信息同时又能把掉进去的任何东西的内容毁坏。我们能收集到的有关黑洞的物理特性只有三个，即质量、角