宇宙中的“黑洞”

宇宙中的“黑洞”

爱因斯坦，这位人类历史上罕见的怪才，20世纪全世界的人们景仰的科学巨匠，他创立的“狭义相对论”和“广义相对论”，引导天体物理学作出了许多重大的发现。其中，最为引人入胜的项目，可以说是使许多杰出的天文学家，耗费毕生的精力，在宇宙空间探索“宇宙之洞”——黑洞和虫洞。其成果之大和它的魅力之大，同样都使人叹为观止。

“黑洞”，已经被天文学家找到，并且在最近一二十年间得到了人们普遍的认同。茫茫宇宙，黑暗的空间占据了它的绝大部分，怎么又提出一个黑洞的概念？

为了弄清楚这个问题，让我们先来简单回顾一下人类认识黑洞的过程吧。

广义相对论的理论认为，质量巨大的恒星，在其演化的晚期，随着核燃料的逐步耗尽，温度也会渐渐地下降。引力的作用最终将占据主导地位。质量与太阳差不多的恒星，在引力作用下的收缩，将使它们在“暮年”时，成为体积小、密度大的白矮星。一般认为，白矮星的直径只有太阳直径的几十分之一，其密度则高达每立方厘米几百千克以上。质量为1．5～2个太阳的恒星，发展到白矮星阶段还不会停止，引力的作用最后将使得所有的电子，都被吸引进入原子核，电子和质子相遇，正负电中和后，形成中子。这样的天体，完全由中子组成，中子一个挨着一个排列。这就是所谓的“中子星”。中子星的密度可以达到每立方厘米1亿吨以上！紧接着的问题必然是：质量超过太阳质量两倍以上的恒星，它们到了晚期将向什么方向演化呢？理论研究指出：质量比中子星还大的天体，收缩到中子星阶段之后，其引力的吸积作用达到了常规物理学所无法理解的“疯狂”程度。一切我们所知道和能够想象得到的物质结构形式在巨大的引力场中，都彻底毁灭了。它形成一个“视界面”，一切接近这个界面的物质都被吸引进入这个界面之内，而一切进入这个界面的物质就再也不会跑出来。这就是理论物理学提出的“黑洞”。

中子星爆炸之前的表面

原来，天文学家所说的黑洞，不是没有质量的空间区域，而是存在着巨大质量，但是我们却看不见的那种独特的空间区域。因为，这个区域内的引力场太强大了，以至于连光线都无法从其束缚下逃脱出来。它的区域范围的外界面，被称为“视界”，物质一旦进入黑洞的视界，我们就永远都无法再直接看见它们了。

宇宙中果真存在着黑洞吗？这个争论长达半个多世纪之久。在20世纪60年代以前，中子星是否存在都不能证实的情况下，追寻所谓的黑洞，被多数人认为那只是一批醉心于纯理论科学的“科学疯子”的“神圣使命”罢了。

1967年的夏天，这一切都发生了急剧的变化。因为，天文学家确定无疑地找到了中子星。既然中子星是真实的存在，那么更大的天体发育成为黑洞就不再应该有什么疑问了。

于是，探索黑洞的热度随之高涨。随着科学技术手段的飞速进步，30多年来，人类寻找黑洞，可以说是硕果累累。

天文学家是如何判断黑洞的存在呢？天文学家认定宇宙中广泛存在着暗物质之后，很显然黑洞就必然是暗物质的质量高度密集的区域。由此，下述的两点就成为寻找黑洞的重要依据：

第一，虽然看不见黑洞视界之内的一切，却可以探测到其附近区域的引力场的异常状况。这种异常所导致的附近可见天体的运行轨道的“摄动”是完全能够观测到的。甚至光线在这个引力异常的区域附近经过时，都会发生弯曲（光线无法穿越黑洞，因为对于光线来说，黑洞也是个只许进、不许出的特殊空间）。这就为寻找黑洞可能存在的区域提供了重要依据。

第二，在黑洞的视界之外，能量守恒定律仍然是不可移易的法则，运动的物质在进入黑洞之前，运动的速度会越来越快，温度不断上升。也就是说，受黑洞巨大质量吸引的物质，不断地将引力的位能，转换成为动能、热能和辐射能。天文学家通过观测已经证实：以极高的速度环绕黑洞旋转的高温物质，在接近黑洞的视界时，已经完全变成了高温气态物质。这股高温气流被吸入黑洞视界之内的一瞬间，向我们的可见世界发射出相当强烈的X射线辐射。

近几十年来，天体物理学家，正是根据上述的X射线的辐射，来追寻黑洞的位置。最近的约10年间，科学家不仅找到了大量存在黑洞的证据，确定了许多黑洞的位置，而且还初步将宇宙中的黑洞分为三类：普通恒星黑洞、中等黑洞和“原生超大黑洞”。

恒星黑洞，是指由质量是太阳质量2倍以上的恒星，在其生命晚期的引力坍缩而形成的黑洞。这样的黑洞的质量相当于几个太阳的质量。其球状体的直径一般只有10千米左右。

中等黑洞，主要是根据对星系中X辐射的强度发现的。天文学家估计，其质量约为太阳质量的10～100倍之间。它的体积约与月球的体积相当（直径约3476千米）。世界各国的科学家还没有对中等黑洞的成因作出令人信服的说明。但是，通过对银河系附近的39个星系的中心的X射线的发射情况的长时间监测，科学家已经确认了中等黑洞的存在，并且初步估计每个星系的中心区域都可能有1～3个这样的黑洞。

原生超大黑洞，所以在其前面加上“原生”二字，是因为理论物理学家推测，它们是在宇宙大爆炸的时候产生的。人类观测宇宙空间的过程中，几乎从来没有发现它们有什么活动的迹象，最初被认为是完全黑暗的宇宙“真空”。近些年，才逐步发现了它们是一种独特的区域，其体积几乎和整个太阳系一样大，其引力场的强度却相当于10亿个太阳的引力场，它的周围是相对空空荡荡的宇宙空间。研究者不清楚它的这种宇宙环境，是它诞生时就如此呢，还是周围的物质都已经被它无情地吞噬了的结果呢？反正天文学家在观测证实它的存在之时起，就是一大片寂静的空间，伴随着一个同样寂静的超大黑洞。所以，有些人干脆就把这个类型的黑洞又叫做“寂静超大黑洞”。

从上面的三种类型中，不难看出，在中等黑洞和超大黑洞之间，存在着巨大的“质量空缺”。即，质量在100个太阳质量以上、在10亿个太阳质量之下的黑洞是不存在呢，还是我们没有发现它们？

同样令人感到高深莫测的是：在我们观测所及的范围内，到底有多少黑洞。上文说过，天文学家估计，一般每个星系中有1～3个黑洞。按这种估计，截止到1999年，通过飞行在地球轨道上的哈勃太空望远镜的观测，天文学家认为宇宙中的河外星系约有1250多亿个。那就是说，黑洞的数目大约在1300亿个到4000亿个之间。

绝大多数的天文学家认为，我们所在的、也是相对最熟悉的银河系中心只有一个黑洞。

可是，1999年夏天，日本的天文学家却声称，他们经过15个寒暑的不懈努力，在银河系中心区域发现了24个黑洞。他们还说，其中质量最大、引力场最强的两个黑洞，犹如宇宙中众多的“双星”一样，围着它们的共同重心在高速互相绕转。

银河系超级大黑洞

在我们一般人的心目中，黑洞是一个多少有些可怕的概念。它毕竟是要无情地吞噬一切进入其引力场范围的物质，而且将彻底毁灭一切我们所知的物质结构。

可是，理论物理学家和哲学家们却另有高论。他们说，或许黑洞和可见宇宙，只是同一个类型的空间概念，只是大小有些差异罢了。

我们不理解黑洞之内的世界，同样我们也不知道宇宙之外是怎么一回事。我们的整个宇宙，是不是就是一个超超超大的黑洞？我们自认为是正常的物理学规律，其实也是被扭曲的：观测到的100多亿光年的距离，也许光线在我们不知不觉中走着巨大的诸如抛物线之类的曲线。假若如此，我们观测到的遥远的星系，也许正是附近的、甚至是银河系的历史映象。

同样的道理，如果在我们现在所认定的黑洞中，有智慧生命，他们或许有他们的物理学和天文学。他们同样会感觉到生活在一个辽阔的属于他们的可见宇宙之中。

宇宙中的黑洞，是我们的天文学之谜。宇宙本身是不是一个黑洞，同样是一个未解的谜。