神秘的“黑洞”

 在美国许多村社总有那么一二位神秘人物,他们的情况人们知之甚少。这些人过着隐士般的生活,喜欢独居,希望别人不要过多地探询有关他们的事情。

  宇宙中也有这样的隐居者。黑洞--天空中大多数大质量恒星的最终演化产物,一个超致密天体--就是宇宙中的神秘隐士。这些宇宙隐士被保护在秘密掩体内,有关它们的信息一点都透露不出来。

  “黑洞”这个名词是普林斯顿大学的物理学家惠勒( John Wheeler)在1968年发表的一篇题为《我们的宇宙,已知的和未知的》的文章中首先提出来的。惠勒不愿意用“引力坍缩物体”这样的名词,希望创造一个较简洁、概括性好的词汇,他认为“黑洞”一词响亮,有号召力。

  黑洞是在一特殊的大质量超巨星坍缩时产生的。黑洞产生的过程类似于中子星产生的过程:位于恒星中心的铁核在自身重量的作用下迅速地收缩,发生强力爆炸。在中子星情况下,当核心中所有的物质都变成中子时坍缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使坍缩过程无休止地进行下去,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想像的物质。

钱德拉”望远镜拍摄到的新级别黑洞X光图

新发现的这个黑洞只能算作是一种中等级别的黑洞。此前,科学家们所探测到的黑洞主要有两种类型,一种是质量仅相当于太阳质量十倍多的类恒星黑洞,另一种则是质量为太阳数十亿倍的超级黑洞。 
  本次发现的这个黑洞位于双鱼座的M74星系中,它与地球的距离约为3200万光年。科学家们解释称,该黑洞的X射线爆发周期约为2小时,其强度约相当于10--1000个中子星或类恒星黑洞。
  科学家们认为,该黑洞X射线辐射的周期性变化与其周围聚集的热气体盘的变化有关。此前,科学家们还通过长期的研究得知,黑洞辐射的周期与其质量大小也有着密不可分的关系。根据上述这二个因素,科学家们才能判定该黑洞质量约相当于10000个太阳的质量。 
  科学家们还表示,此类黑洞的产生一般有两种途径:一,这种中等质量的黑洞由高密星群中央的数十个甚至上百个恒星级黑洞合并而来;二,它是大型星系逐渐吞噬小型星系而形成的小星系核的残留物质。

这是一张黑洞处于星群中间的概念图,现今的望远镜还不能直接看到黑洞,但可以借助引力来探测它们

  在如此密实的黑洞中隐匿着巨大的引力场,这种引力大到使任何东西,包括光,都不能从黑洞逃逸出去。这就是这种物体被称做“黑洞”的缘故。黑洞不让在其边界以内的任何事物被外界看见。

  为了理解黑洞的动力学和理解它们是怎样使内部的所有事物逃不出其边界,我们需要讨论广义相对论。广义相对论是爱因斯坦( Albert Einstein)创建的成功的引力学说,适用于行星、恒星,也适用于黑洞。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说,说明空间和时间(合起来叫做时空)是怎样因大质量物体的存在而畸变了的。

  简言之,广义相对论说物质弯曲了空间,而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动(在科幻小说和影片中普遍使用的“空间翘曲”一词就是对此原理的表达)。

  让我们看一看爱因斯坦的模型是怎样工作的。首先,考虑时间(空间的三维是长、宽和高)是现实世界中的第四维(难于在平常的三个方向之外再画出一个方向,但让我们尽力去想像)。其次,考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。

  爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景:石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些,虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的,但其中央稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块,则将产生更大的效果,使床面下沉得更多。事实上,石头越多,弹簧床面弯曲得越厉害。

  同样的道理,宇宙中的大质量物体将使宇宙结构受到畸变。正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样,质量比太阳大得多的天体比一个或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。

  如果一个网球在一张完全绷紧了的平坦的弹簧床面上滚动,它将沿一直线路径前进。反之,如果将它送到绕经一个下凹的地方,则它将行经一弧形路径。同理,天体穿行于时空的平坦区域

作为时间隧道的黑洞

  我们已看到:黑洞畸变了其附近的空间路径。按照爱因斯坦的格言,空间与时间是混杂的,因此,在这种物体附近,时间也是被弯曲了的。据此,一些研究工作者曾建议用黑洞作为时间机器。

  确实,若一太空人在飞往黑洞以前在她的飞船上放一只大钟,则一个船外的观测者(例如,在飞船附近的空间站上)在太空人接近于坍缩星的周边时,将发觉该钟走得慢下来。旁观者也会感觉到她运动得越来越慢;从未感觉到她达到了黑洞视界的边缘。最后,她将被看上去在时间上冻结了--发愣了,像鹿被汽车前灯“照瞎”了双眼,一动不动了。

  但从太空人看来,这些事件的发生完全是另一种情景。飞船上的钟正常地走着。这样,无法阻止她很快地钻进黑洞深渊里去。她还可能察觉不到她穿越视界的时刻,但她将从那一点起被黑洞粘住。

  假定,当她下降时,仍能观察到她上面的空间区域,看飞船外面的景色,倒霉的旅行者将看到所有的事物随时间而加速。未来的历史在她眼前一闪而过。但这种时间旅行是毫无

  (较少的重物质)时继续沿直线路径前进,而那些穿越弯曲区域(有较多重物质)的天体将沿弯曲的轨迹前进。

  现在再来看看黑洞对于其周围时空区域的影响。设想在弹簧床面上放置一块质量非常之大的圆石头代表这一超密的黑洞,自然,这将大大地影响床面,不仅其表面要弯曲下陷,还

  意义的,她不能与宇宙的其余部分相互沟通;取而代之的是她本人及飞船的毁灭(除非她能及时掉转船头)。总之,虽然一个太空人能在黑洞的视界附近经受一种形式的时间旅行,但终将是一个悲惨的--因而是毫无意义的--探险。

  将断裂。类似的情形将在宇宙中出现,若宇宙中某处存在有黑洞,则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂叫做时空的奇异性或奇点。

  现在我们来看看为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去。正如一个滚过弹簧床面的网球,将掉进由大圆石头造成的洞那样,一个经过黑洞近旁空间的物体也将被其陡峭的引力陷阱所捕获。而且,在黑洞的情形,将需要无穷大的能量才能挽救运气不佳的物体。

  你能向黑洞靠得多近而不被它永远地抓住呢?答案是相当近。被黑洞吸入不能再返回的那一点叫做黑洞的视界,它是距黑洞中心一定距离叫做史瓦西半径的一个球壳。此半径的长短只与黑洞的质量有关。例如,一个太阳质量的黑洞其史瓦西半径不到3公里,只要离开其中心3公里以外,就没有危险,从黑洞旁边走过去不会被它抓住。

 一旦你进入了视界,便逃脱不了被黑洞擒获的命运--你将一直下落到时空奇点所在处--黑洞的中心,不过几分之一秒的一瞬间,你就会被那里无穷大的引力弄得粉身碎骨。

  我们已经说过,没有任何进入黑洞的东西能再逃离它,但科学家们却认为黑洞会缓慢地释放其能量。这是怎么一回事呢?著名的英国物理学家霍金(Stephen Hawking)在 1974年证明黑洞有一个不为零的温度,比深空的温度要高一些。一切比其周围较温暖的物体都要释放出热量,黑洞也不例外。一个典型的黑洞将在几百万万亿(1018)年内蒸发光(释放出它全部的能量)。黑洞释放能量有个恰当的名称:霍金辐射。

  “黑洞”这个词是公众最熟悉的天文名称之一。但并不能因此而认为对黑洞的存在已无争议了。在一个较长时间里,黑洞只被认为是一个假想的物体和数学的构思,被看成是比大学生聪明的练习题稍多一点的东西。

  但近年来,有了在空间存在着黑洞越来越多的证据。这些证明不是直接的--黑洞终究是看不见的--而是通过物质落进黑洞的视界后发出的辐射间接得知的。用这种方法探测黑洞,就好像通过观察火焰的影子,发现在篝火中燃烧着的炭块一样。

  天文学家们几年前就猜测位于室女座星系团内,距离我们约5000多万光年的星系M87的中心有巨大黑洞。1994年夏天,HST获得了该星系中心存在着超大质量黑洞的可靠证

  据。空间望远镜上的广视场照相机摄取的照片表明在M87的中心附近有大量发光的气体以非常大的速度运动着。计算表明,具有这样大的运动速度的原因,是由于存在着一个被压缩在几千亿公里大小区域里的20亿倍太阳质量的致密物质。而如此巨大的物质密度强烈地表明M87的核心确实隐匿着一个超大质量黑洞。

  许多理论工作者都认为银河系的中心也隐藏着一个超大质量黑洞,但至今还未像M87那样获得较确凿的证据。科学家们希望HST能帮助解决这一迷人的问题。

罕见天文景象:黑洞撕裂恒星

 欧洲和美国天文学家18日宣布,他们借助太空望远镜在一个距地球7亿光年的星系中观测到了耀眼的X射线暴发。科学家相信,这是被位于该星系中央的黑洞所吞噬的一颗恒星发出的“临终呼叫”。这是科学家首次找到超大质量黑洞撕裂恒星的强有力的证据。
  美国宇航局发布的新闻公报介绍说,科学家早就从理论上预言黑洞会撕裂恒星,但一直未能得到观测结果的证实。美国宇航局“钱德拉”X射线太空望远镜和欧洲航天局“XMM-牛顿”X射线太空望远镜在新观测中,在一个距地球约7亿光年的星系中央,探测到了强大的X射线暴发。欧美天文学家们分析后认为,这是黑洞撕裂恒星的确凿证据。他们说,该恒星在被黑洞撕裂前,其中的气体被加热到数百万摄氏度,导致产生了X射线暴,这一过程中释放出的能量与一次超新星爆发相当。
  根据天文学家的描述,在代号为“RX J1242-11”的星系中央地带新观测到的恒星与黑洞搏斗,力量对比极其悬殊。存在于星系中央的黑洞质量约为太阳质量的1亿倍,而被撕毁的恒星质量仅与太阳质量相当。据推测,这颗恒星很可能在与另一颗恒星近距离相遇后,偏离了原先的运行轨道,结果与超大质量黑洞距离过近,在后者巨大的引力作用下伸展,直至被扯得四分五裂。不过这个黑洞并不“贪心”,它只“吃”掉了该恒星的1%,恒星其余部分被抛掷入黑洞外的太空。
  新观测研究项目负责人、德国马普学会地外物理学研究所的科莫莎指出,存在于双星等系统中的恒星,有时候是能够承受较小幅度伸展的,但新观测到的这颗恒星的伸展程度超出了所能承受的极限。科莫莎说,该恒星倒霉就倒在它“逛进了一个错误的地带”

参考影视:壮观的超级星球爆炸和神秘的黑洞     超新星爆炸的产物:黑洞