黑洞的产生

黑洞的产生

在宇宙中，一个恒星在静静燃烧。这颗恒星的质量是太阳质量的50倍。如此巨大的质量，使它的引力十分巨大，无论是在恒星外的太空，还是在恒星内的时空。

这颗恒星十分平静地度过了它的少年期、青年期及中年期。

在它的老年期，恒星内部的核反应越来越剧烈，释放的能量也越来越多。

在恒星的最外层，是氦和氢在大量“燃烧”；再向内部推进一层，是氧和碳的焚烧场。接着是氧和氖，镁和氧，硫和硅，最后是一个呆滞核——铁核。

随着黑洞“燃烧”的越来越迅速，释放的能量越来越多，铁核的体积开始越来越大，其他各层的体积同时开始变小。

由于铁发生聚变的时候，几乎没有什么聚变的能量能使铁中的56个质子和中子发生反应，所以核反应在发生到铁这一步以后，就再也难以有寸进。

随着继续燃烧，内部的压力开始变大。这个时候，恒星在外表和内在上开始变得不一致：在外表，燃烧的能量迫使恒星的表面开始膨胀；同时，恒星的内部由于一切元素的反应都停止在铁上，因而恒星的核开始结晶，准备做最后的爆发。这个时候的恒星叫做红超巨星。

由于恒星内部的铁原子中的电子在电子简并压力的作用下，有一个巨大的反抗引力的压力，因而红超巨星有一个短暂的间歇。但周围的元素不断发生反应，成为铁，并且向这个核汇聚过来。当恒星的核的质量超过1．4倍太阳质量这个钱德拉塞卡极限时，引力和恒星的聚变能量迫使铁也开始发生反应。铁发生反应，原子核在巨大的能量下，成为氦原子核，并在巨大引力下，被紧紧地压在一起，由氦原子核内部的电子简并压承受巨大的引力。

但是，这个巨大的核的周围，恒星的物质还是在引力的作用下向核落去。落在这个核上的物质越来越多，并逐渐接近，超过了钱德拉塞卡极限。这个时候，电子简并压再也无法承受巨大的引力，在质量超过极限的瞬间崩溃，从一个白矮星核突然收缩起来。

巨大的引力，使电子的轨道被完全挤碎，电子不再在轨道上运行，而是全部挤在原子核上。巨大的压力迫使挤在原子核上的电子和质子发生弱相互作用，结合成一个中子，同时释放一个中微子。

于是，这个时候，强大的中微子流从恒星的内部冲出来。虽然中微子不和其他任何粒子发生除微弱引力作用以外的任何其他作用，但是强大的中微子流带着强大的能量将红超巨星的表面炸开。炸开的物质在引力作用下，向中心的核高速落去。这个之后，由于中子的自旋为半整数，是一种费米子（自旋就是粒子在运动的时候自身发生的旋转。带电非零自旋的粒子通常伴随着磁矩。费米子是由费米发现的符合费米密度分布的基本粒子的总称。这种粒子的共同特点是它们的自旋都是半整数。与费米子的概念相对立的是波色子，它们都不符合费米密度分布，而且自旋为整数。），因而它和电子（同样是一种费米子）一样遵守泡利不相融定理。所以在这个时候中子简并压取代电子简并压存在，继续和引力抗争。

这时，大量的物质落在这个巨大的原子核（因为这个时候恒星的核就是一个中子星核，中子星核中没有除中子以外的任何其他粒子，而且由于中子简并时相互之间的距离和它的直径相似，因而在中子星核——一种中子超流体——中的中子之间是没有任何空隙的，密度比原子核的密度略大一点（因为质子比种子轻））上，由于中子简并压的强大抵抗力而反弹。反弹产生的冲击波将外部表面的物质完全崩落。冲击波伴随巨大的能量，将核外一层的元素都突破铁的极限，聚变成了重金属，伴随着冲击波向外冲去。而外界的较重的元素都根据到核的距离转化为不同的重金属，而较轻的元素也发生聚变，成为较重的元素，最外层的氦和氢则在来得及发生反应以前被抛射到太空中——红超巨星爆发了，成为一个超新星。

爆发的超新星将自己内部“元素生产厂”的货物一次性售空，全部贡献给宇宙中的行星们。同时，中子星核也发生着致命的变化。

爆发速度飞快的带走96%的质量。但是巨大的质量还是堆积在核上，在爆发的反作用力的作用下（如果质量再大一点，可以在爆发以前就发生这种变化，那么将不会有壮观的爆发，取而代之的是一个小爆发，但是得到的是一个质量更加大的黑洞），引力完全战胜了中子简并压，再一次挤压中子星核。

这次挤压很辛苦，也很成功。物质在被以较快的速度挤压到了由它的质量和内部压力、时空张力决定的BKL限度以后，将再也没有回复的余地，开始疯狂地塌缩。塌缩的告终使得中子发生反应，发出巨大的能量，但是这些能量将再也不可能被外界的人知道，因为它们已经在死亡界面——视界内了，无限大的引力迫使一切形式的能量，无论辐射还是动能，是场还是粒子，都无条件地向这个恒星残骸的中心——奇点进发。

由于这个恒星是旋转的，奇点不再是一个点，而是一个环——奇异环。在恒星视界内部的部分以接近光速来到奇异环的周围后，在普朗克时间内被瓦解为物质弦，或者基本粒子（视理论而定，在超弦中是物质弦，在量子理论中是基本粒子。但是它们不是完全等价）。而在视界外的部分，还以高速向视界冲。

在视界这个面上，视界完全吸收这个恒星原来的磁场。这些磁性将不被黑洞拥有，而成为视界的一种属性（膜规范）。和中子星不一样，磁力线被引力完全吸收，被迫完全蜷缩在视界上。同时，恒星在塌缩时的任何形式的扰动，在到达视界时都将扰动的动能贡献给视界，而自己十分乖巧地“安静”地向奇异环冲去。同样，恒星上的任何不规则形状，在遇到视界的时候都被无情磨平。

在恒星收缩的时候视界还不是十分平整，但是当它将整个恒星都吞没后，它开始了快速的“消化”：将视界表面的所有不平整的地方，视界上的任何由于扰动带来的动能，都一致地转化为引力能，即时空曲率波，引力波，向外界以光速辐射了出去，向宇宙高声宣布：黑洞诞生了！

“黑洞”是根据广义相对论预言存在的天体，它凭着自身的引力“禁闭”空间中的一切。黑洞的大小若用质量相比较的话，那么具有太阳质量的黑洞，其半径只有3公里。黑洞把一切物质吸入，连光都不可能逸出。在北斗七星的旁边，大熊座的“熊头”附近，有一个形状不伦不类的M82星系。直径达1200万光年的M82星系，有一条黑色缝隙横贯其中，所以它得到了一个“破裂星系”的绰号。这条黑色缝隙实际上是一个由混杂尘埃的气体构成的，而M82星系本身是一个标准的“透镜”型星系。M82星系具有显著的特征，其中心部位以超过别的星系数千倍的速度诞生着新的恒星。最近在被称为“星爆星系”的M82星系中，天文学家发现了待确认的奇异天体——黑洞，这在研究宇宙中存在的巨大的黑洞起源的时候，具有极重大的意义。M82星系中的黑洞喷释出大量能量，这的确异乎寻常。

事实上，在物质被吸入黑洞的“地平线”下之前，黑洞极强的引力场引起了超高速运动，因引力下落的能量由于摩擦转变为热能，并最终转变为光能。近几年，有观测报告说在银河系中心似乎存在巨大黑洞，所谓“巨大黑洞”是指质量超过太阳100万倍以上的黑洞。如果存在巨大黑洞，那么在它周围的物质亦应当像绕太阳旋转的行星那样，遵循“开普勒行星运动三定律”，哈勃太空望远镜就在NGC4261、室女座M87星系、室女座M84星系等星系中心发现了高速旋转的气体。

2002年10月，几个国家的天文学家观察到一种独特现象——最强烈的伽马射线辐射，属于美国宇航局的HETE太空探测器发现首次爆发，HETE能迅速识别伽马射线爆发，并计算出爆发的位置。有关伽马射线爆发的信息被传送回地球，进入世界上一些最大的天文台。位于日本和歌山市的ART望远镜率先对准这次爆发，在发现爆发之后ART望远镜总共观察了193秒，爆发后不久世界上不同地区的近50台望远镜也开始观察这次爆发。

天文学家经常记录伽马射线爆发，但是迄今为止仍未对它们进行详尽的研究，这是因为，伽马射线爆发持续的时间太短，只有0．1～100秒。天文学家常常能成功地观察到X光波段和可见光波段的余辉，这种余辉是冲击波对周围太空物质作用的结果。天文学家认为，伽马射线爆发是在巨星转变成黑洞时（坍缩）形成的，由于恒星压缩成异常致密的黑洞，从而产生伽马射线爆发。爆发持续时间非常短，是因为形成的坍缩开始吸收包括光子在内的周围的一切物质。

上述伽马射线爆发发生在2002年10月4日，转变成黑洞的恒星被编号为GRB021004，它大约比我们的太阳重15倍。这次伽马射线爆发是整个天文观察史中最详细研究的一次，同时还首次发现余辉能量在爆发半小时之后明显增强。研究人员认为，那颗仍在坍缩的恒星正是能量源，而伽马射线可能只是高能爆发的一小部分。2004年2月中旬，天文学家通过美国国家航空航天局的钱德拉天文望远镜和欧洲的XMM牛顿X射线望远镜分别观测和证实了哈勃太空望远镜发现的罕见天文现象。黑洞理论虽然形成许多年，但是由于黑洞不能被直接观测到，所以天文学界对黑洞的存在一直处于理论的水平上。这是科学家首次观测到恒星被黑洞肢解的情景，证实了该理论的正确。而这一特殊天文现象在一个星系中发生的概率是1万年一次。

日本京都大学的一个研究小组使用X射线观测卫星发现M82星系内的一个天体，从非常有限的空间发出大量X射线，这个天体主要放射3000电子伏特的高能X射线，其光度达到太阳全部光度的千万倍。

科学家为了搞清这个天体的真实面目，立即着手进行了反复达9次的观测，对可信数据的分析结果表明，这个天体在短短几天的时间里，其光度就发生了几倍的变化。这个天体光度的变化情况被美国麻省理工大学和内华达大学的科学家同时观测到。它的光度变化的直接原因还无法确定，但是却为科学家了解这一奇异天体的本来面目，提供了极其珍贵的数据，因为根据这些数据能够算出这个天体的大小，它的直径约为太阳与地球距离的数十倍，也就是说，它的大小充其量相当于太阳系。从如此小的区域内居然能够释放出相当于太阳1000万倍的能量，从现代物理学可知其唯一的可能就是黑洞。

科学家认为，质量相当于太阳的黑洞是超新星爆发的结果，但是对于巨大黑洞的起源，还没有定论。巨大黑洞不能由小黑洞聚合而成，难道就没有突然形成中间质量黑洞的途径了吗？要存在这种可能关键之处在于是否能把具有太阳质量100万倍的天体凝缩至0．01光年以下的空间。作为一种可能性，美国哈佛大学的科学家提出了一种新的设想：在宇宙诞生之初由大质量的天体产生了中间质量的黑洞。科学家们把这个过程用计算机进行了模拟，结果显示，在宇宙诞生30万年时，大质量天体中发生了电离，大小凝缩至0．01光年以下。此时，宇宙中澄澈无比，光能够通行无阻。由此产生的黑洞质量约为太阳的10万倍到100万倍，基本上是在与星系无关的空间形成的。

黑洞与星系遭遇，在力学的摩擦效应作用下，黑洞便落入星系的中心。如果落入星系中心的黑洞一年间会附着一个太阳质量的物质的话，1亿年后就会拥有1亿倍以上太阳质量，从而成为巨大黑洞。以类星体的能量来说，如此规模的质量附着是必不可少的。但是这种模型也不能完全自圆其说。考虑到一般的宇宙模型，以这种机理形成的黑洞的数目比星系的数目要少得多。因此，在理论上，形成巨大黑洞的确切过程应当说仍未明了，所以具有中间质量、围绕星系中心旋转的M82星系黑洞，是非常耐人寻味的。关键问题在于求出M82星系黑洞的准确质量，并搞清其形成的过程。这些问题的解决对于揭开巨大黑洞之谜，具有决定性的意义。

有观测报告说在银河系中心似乎存在着巨大的黑洞，所谓“巨大黑洞”是指质量超过太阳100万倍以上的黑洞。如果存在巨大黑洞，那么在它周围的物质亦应当像绕太阳旋转的行星那样，遵循“开普勒行星运动三定律”，哈勃太空望远镜就在NGC4261、室女座M84星系、室女座M87星系等星系中心发现了高速旋转的气体。

根据开普勒定律，气体的旋转速度应与其围绕天体的质量的平方根成正比，与旋转半径的平方根成反比。如果能够确定旋转速度和半径，就能求出那个天体的质量，NGC4261旋转半径为300光年以内，质量约为太阳质量的20亿倍；M84星系旋转半径为30光年以内，质量约为太阳质量的3亿倍；M87星系旋转半径为15光年以内，质量约为太阳质量的30亿倍。计算结果应当说是令人吃惊的！10亿倍太阳质量的黑洞的半径大约为10天文单位，也就是1光年的一万分之一。所以，哈勃太空望远镜的观测结果与黑洞的半径相比较，还没有把握住黑洞的外侧。

1995年，有关科学家与美国史密森尼安天文台合作，使用超长基线电波干涉仪群观测猎犬座NGC4258星系的中心区域，发现在NGC4258星系中心仅0．3光年的区域内，就存在相当太阳质量3600万倍的质量，而且获得了迄今为止最精确的旋转速度。由此，星系中心存在巨大黑洞的可能几乎转瞬间便具有了可能性。同年，科学家们进行了对确认巨大黑洞具有决定意义的观测，证据是通过日本的X射线天文卫星观测得到的，观测对象是名为“MCG－6－30－15”的一个活跃星系。观测结果表明，来自这个星系中心的X射线发生了“引力红移”，这是非黑洞无法解释的。

所谓“引力红移”是在强引力作用下，时间似乎变慢的可用广义相对论解释的现象，在这种现象中光波长变长。这个现象被确认其意义就相当于直接观测到黑洞。科学家从此得到了巨大黑洞存在的强有力的证据。任何星系都存在巨大黑洞。

如果巨大黑洞只是存在于特定的星系的话，那么巨大黑洞可能就是这种特定星系特殊演化的结果。但是观测资料表明大部分星系的中心都存在巨大黑洞。在宇宙中存在着一种相当于星系大小一万分之一以下区域，却释放出100个星系具有的能量的天体，这就是“类星体”。这是一种距离我们极其遥远的天体，距离近者离地球也有20亿光年之遥。从1962年第一个类星体被发现以来，这种天体的真实面目仍是待揭之谜。围绕类星体巨大能量的来源，科学家提出了形形色色的理论和假说，而最终具有生命力的是巨大黑洞之说。

斗转星移，1997年，哈勃太空望远镜首次观测证实，类星体处于星系的中心部位，是星系的核心。在那里极有可能存在巨大黑洞。但是此说难圆，迄今发现的类星体大约只有星系数目的百分之一，仅仅以此为依据还不能认为任何星系都存在巨大黑洞。

随着周密观测的进行，科学家们始知以往了解的“塞弗特星系”与类星体在光谱方面有种种类似。“塞弗特星系”的能量规模比类星体要小得多。“塞弗特星系”有Ⅰ型与Ⅱ型之分，与类星体光谱相似的为Ⅰ型。对“塞弗特星系”来说，除去其中心区域的特殊类型，一般是漩涡星系和棒旋星系，比类星体的数目多得多，达10倍以上。类星体和“塞弗特星系”总称为“活动星系核”，科学家又进一步发现了“活动星系核”的“兄弟”——“射电星系”和“活动星系”。最近，科学家在超过半数的星系中发现了衡量星系核心活动程度的“低电离状态发光区域”。

科学家认为，能够将活动星系核用巨大黑洞和旋转着被吸入黑洞气体盘旋建立一个模型。根据这个模型，星系核活动性的差别由黑洞的大小和单位时间被吸入黑洞的气体量决定。为了说明多种星系核的活动性，巨大黑洞的质量必须达到太阳质量的1000万倍到10亿倍的程度。如果我们认定几乎所有的星系中心都无一例外地存在巨大黑洞的话，那么这种现象是如何形成的呢，对于这个问题科学家们还没有掌握明确的答案，获得答案的关键也许就在尚待确认的M82星系中的黑洞。

通过光度变化发现的M82星系的待确认黑洞的最大质量大约是太阳质量的上亿倍。但是这其中存在一个令人不解的事实——M82星系的待确认黑洞不在星系的旋转中心，而在距旋转中心400光年之遥的位置。如果它具有太阳1亿倍的质量，那么这个黑洞的引力将占支配地位，它周围的一切都应当以黑洞为中心旋转，不能想象这个黑洞在围绕别的什么旋转。由此可知，这个黑洞并没有那么巨大，它很可能是质量居中的新类型，是质量为太阳100倍到100万倍的中间质量黑洞。

科学家对M82星系进行了空前精确的观测，1999年，美国航空航天局的科学家发表的观测报告，他们获得的证据表明，一个质量为太阳100倍到1万倍的黑洞在距星系中心约1000光年的位置旋转。他们在对39个星系观测中发现其中21个星系中有这种中间质量的黑洞。如果事实果真如此，那么它将成为解开星系中心巨大黑洞之谜的重要线索。巨大黑洞如何形成尚无定论，正如前面谈到的，科学家认为质量相当于太阳的黑洞是超新星爆发的结果，但是对于巨大黑洞的起源，目前还没有定论。巨大黑洞是怎样形成的呢？

达到太阳质量100万倍的天体，其半径会凝缩至0．01光年以下，成为一千万分之一光年大小的中间质量黑洞。在质量为太阳100万倍的天体中有“球状星团”。

球状星团在宇宙中存在的天体中密度之大异乎寻常，但是球状星团大小达数十光年，无论如何不能成为黑洞。在球状星团中作为超新星爆发的残存物存在质量相当于太阳的黑洞。但是如此小的黑洞逐渐构成了双星，要演化成一切都被吞并其中的中间质量黑洞，需要比宇宙年龄更长的时间，所以球状星团今天依然固我。

在“星爆”里正以迅猛的速度生成着新的恒星，同时超新星爆发也呈猛烈之势，结果质量相当的太阳的黑洞理当比一般星系存在得更多。那么这些黑洞吸聚周围气体逐步变大成为中间质量黑洞，难道不存在中间质量黑洞彼此聚合成为巨大黑洞的可能吗？不过计算可知，即使用宇宙年龄同样时间来集聚气体，质量也不过只能增加百分之几。黑洞合而为一的概率在球状星团的情况下要低得多。解决疑问的关键何在？那么，巨大黑洞不会由小黑洞聚合而成，就没有突然形成中间质量黑洞的途径了吗？要存在这种可能关键之处在于是否能把具有太阳质量100万倍的天体凝缩至0．01光年以下的空间。作为一种可能性，美国哈佛大学的科学家提出了一种新的设想：在宇宙诞生之初由大质量的天体产生了中间质量的黑洞。

科学家们把这个过程用计算机进行了模拟，结果显示，在宇宙诞生30万年时，大质量天体中发生了电离，大小凝缩至0．01光年以下。此时，宇宙中清澈无比，光能够通行无阻。由此产生的黑洞质量约为太阳的10万倍到100万倍，基本上是在与星系无关的空间形成的。

如此大小的黑洞与星系遭遇，在力学的摩擦效果作用下，黑洞便落入星系的中心。如果落入星系中心的黑洞一年间会附着一个太阳质量的物质的话，1亿年后就会拥有1亿倍以上太阳质量，从而成为巨大黑洞。以类星体的能量来说，如此规模的质量附着是必不可少的。但是这种模型也不能完全自圆其说。考虑到一般的宇宙模型，以这种机理形成的黑洞的数目比星系的数目要少得多。因此在理论上，形成巨大黑洞的确切过程应当说仍未明了，所以具有中间质量、围绕星系中心旋转的M82星系黑洞，是非常耐人寻味的。关键问题在于求出M82星系黑洞的准确质量，并搞清其形成的过程。这些问题的解决对于揭开巨大黑洞之谜，具有决定性的意义。巨大黑洞仍是待揭之谜，巨大黑洞的起源之谜直到今天仍包裹在重重迷雾之中，说不清道不明。黑洞是如何越变越大的，巨大黑洞又与星系的诞生和演化具有怎样的关系，需要解释的疑问还多得很。1995年，美国夏威夷大学和密执安大学的几位科学家，在研究了巨大黑洞起源的问题后，发表了非常有趣的分析结果。

他们将巨大黑洞的观测结果针对某一天体，把黑洞的质量与星系“鼓包”进行了比较。所谓星系“鼓包”指的是处于星系中心呈球状分布的古老恒星的集团。

结果表明，这个比例大约是1000∶1，就算黑洞的质量有变化，但这个比例都没有明显变化。星系“鼓包”在构造上与星系盘有所不同，椭圆星系几乎都是由“鼓包”构成的。

若美国科学家发现的关系具有普遍意义，黑洞的形成便很可能与星系“鼓包”的形成有密切关系。星系“鼓包”是由星系形成初期的“星爆”形成的——这一假说现在比较有说服力。巨大黑洞也与“星爆”有关吗？新类型的黑洞是在M82星系被发现的，而它也是“星爆”。

“星爆”、星系形成、星系“鼓包”、活动星系核，以及中间质量黑洞和巨大黑洞，在这一系列组合之后，最终能够描绘出的到底是什么呢？

在星系中，仍然隐藏着许多的谜团。

根据近年的观测，人类所在的银河系的中央具有棒状构造，所以银河系也可能是一个棒旋星系。

巨大黑洞的起源之谜直到今天仍包裹在重重迷雾之中。黑洞是如何越变越大的，巨大黑洞与星系的诞生和演化又具有怎样的关系，需要解释的疑问还很多。