翁山杉

(南京師范大學(xué)物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

根據(jù)廣義相對(duì)論，黑洞是指一個(gè)具有極強(qiáng)引力勢的時(shí)空區(qū)域，在時(shí)空區(qū)域邊界(視界面)以內(nèi)的任何物質(zhì)，甚至包括電磁波輻射，都無法逃逸出來。理論上對(duì)黑洞質(zhì)量并沒有任何限制，只要物質(zhì)分布在足夠小的空間內(nèi)(視界面)即可。由于黑洞本身并不產(chǎn)生電磁波輻射，因此在很長的一段時(shí)間里，黑洞只是一個(gè)數(shù)學(xué)、物理概念。隨著天文觀測技術(shù)的發(fā)展，人們在銀河系及近鄰星系中的雙星系統(tǒng)內(nèi)找到了一些恒星級(jí)黑洞(質(zhì)量和普通恒星的質(zhì)量相當(dāng))存在的證據(jù)，同時(shí)一些觀測也表明：在大部分星系中心存在著超大質(zhì)量黑洞(質(zhì)量大于一百萬倍的太陽質(zhì)量)。本文重點(diǎn)介紹這兩類黑洞存在的觀測證據(jù)，同時(shí)討論不同質(zhì)量黑洞存在的可能性。

1 恒星級(jí)黑洞

根據(jù)恒星演化理論，星系介質(zhì)由于引力作用塌縮，密度、溫度上升達(dá)到一定條件，發(fā)生核聚變，發(fā)光、發(fā)熱阻止物質(zhì)進(jìn)一步塌縮，形成恒星。在恒星演化晚期，物質(zhì)核燃燒變?nèi)?產(chǎn)生超新星爆炸，中心物質(zhì)可能會(huì)在引力作用下迅速塌縮形成中子星或恒星級(jí)黑洞。黑洞本身并不產(chǎn)生電磁波輻射，但如果一個(gè)黑洞和一個(gè)普通/演化晚期的恒星相互繞轉(zhuǎn)，則會(huì)形成雙星系統(tǒng)，恒星通過洛希瓣或者星風(fēng)形式損失物質(zhì)。當(dāng)這些物質(zhì)被黑洞捕獲，吸積物質(zhì)的引力勢能轉(zhuǎn)換成明亮的X射線輻射。通過監(jiān)測銀河系中X射線源的光變，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)百顆X射線雙星。對(duì)其中一部分源，通過分析電磁波輻射的周期性變化，還能測出X射線雙星的軌道參數(shù)以及伴星的質(zhì)量，并由此可以測出致密天體的質(zhì)量。根據(jù)量子力學(xué)，當(dāng)致密天體超過太陽質(zhì)量2～3倍時(shí)，其簡并壓將無法抵抗引力，不可避免地塌縮形成黑洞。如果測量得到的致密天體質(zhì)量超過3倍太陽質(zhì)量，就可認(rèn)為該天體為黑洞。

運(yùn)用動(dòng)力學(xué)方法，目前人們已經(jīng)確認(rèn)了近30個(gè)黑洞(X射線雙星)，它們的質(zhì)量為3～20倍的太陽質(zhì)量，這符合我們對(duì)恒星演化理論的預(yù)期。理論上恒星質(zhì)量存在一個(gè)上限，最終演化形成的黑洞質(zhì)量上限約為20～30倍的太陽質(zhì)量。3倍太陽質(zhì)量的下限是因?yàn)槟壳斑€無法完全排除大質(zhì)量中子星的存在，但也有人認(rèn)為沒有探測到2～3倍的太陽質(zhì)量黑洞和采用的探測方法有關(guān)。此外，理論上預(yù)期銀河系中至少存在108～109個(gè)黑洞，這比目前所探測得到的黑洞數(shù)目大好幾個(gè)量級(jí)。這其中一個(gè)主要原因是我們探測黑洞方法所致，即我們只能探測正在吸積伴星物質(zhì)、能產(chǎn)生明亮X射線輻射的雙星系統(tǒng)，進(jìn)而判斷其中是否存在黑洞。但更大一部分黑洞并不吸積物質(zhì)，利用傳統(tǒng)的方法也就無法搜尋到它們的蹤跡。

目前，人們也開始著手利用其他方法來找尋黑洞。比如，對(duì)雙星系統(tǒng)中的普通恒星進(jìn)行長期監(jiān)測，分析恒星質(zhì)量、演化狀態(tài)以及軌道周期，進(jìn)而推測黑洞存在的可能性。這種方法和傳統(tǒng)的在X射線雙星中找黑洞的方法類似，都是動(dòng)力學(xué)方法。但不同的是，這些系統(tǒng)中的黑洞并不吸積伴星物質(zhì)，用來分析軌道周期的電磁波信號(hào)來自普通恒星而不是吸積盤輻射。由于銀河系中的普通恒星數(shù)以百億計(jì)，利用這種方法尋找黑洞工作量更大、更困難，但也有望找到更多恒星級(jí)黑洞。例如最近國家天文臺(tái)劉繼峰研究員所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，就利用該方法找到了目前已知質(zhì)量最大的恒星級(jí)黑洞——LB-1，它的質(zhì)量達(dá)到70倍太陽質(zhì)量。

此外，令人振奮的是，美國的激光干涉引力波天文臺(tái)在2015年首次探測到雙黑洞并合的引力波信號(hào)，這是從理論上確定了廣義相對(duì)論的正確性，同時(shí)給出黑洞存在的又一觀測證據(jù)。至今，已經(jīng)探測到十余例引力波事件，其中黑洞質(zhì)量普遍高于X射線雙星中的黑洞質(zhì)量，對(duì)于這些質(zhì)量較大(30～80倍的太陽質(zhì)量)的恒星級(jí)黑洞的形成，目前還存在很大爭議。

2 超大質(zhì)量黑洞

超大質(zhì)量黑洞是指星系中心可能存在的質(zhì)量超過百萬倍太陽質(zhì)量的黑洞，它的提出最早是為了解決類星體的能源問題。早在上世紀(jì)60年代，人們首次發(fā)現(xiàn)類星體，它們是一些非常明亮、致密的天體。其極高的輻射能量無法用恒星核聚變來解釋，人們首先想到的是，在這些星系中心存在著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，黑洞通過吸積周圍物質(zhì)產(chǎn)生觀測到的電磁波輻射，之后越來越多的觀測也驗(yàn)證了超大質(zhì)量黑洞的吸積圖像。

從1995年開始，利用最先進(jìn)的Keck光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)銀河系中心的一批恒星S2 Star,進(jìn)行了20余年的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)它們圍繞著共同的中心進(jìn)行繞轉(zhuǎn)(如圖1)。其中最短的軌道周期只有11.5年，目前監(jiān)測已覆蓋了兩個(gè)軌道周期。通過分析這些恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以計(jì)算出在中心不到1光天的區(qū)域內(nèi)存在著超過百萬倍太陽質(zhì)量的物質(zhì)，而超大質(zhì)量黑洞是唯一可能的解釋，這是目前超大質(zhì)量黑洞存在的最強(qiáng)證據(jù)之一，最新對(duì)銀河系中心黑洞質(zhì)量的估計(jì)是400萬倍的太陽質(zhì)量。

圖1 Keck望遠(yuǎn)鏡對(duì)銀河系中心的一批恒星進(jìn)行長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)這些恒星圍繞共同的中心(超大質(zhì)量黑洞)進(jìn)行繞轉(zhuǎn)，圖片由UCLA Galactic Center Group提供。

2019年最大的天文事件莫過于科學(xué)家利用事件視界望遠(yuǎn)鏡(Event Horizon Telescope)對(duì)距離地球5300萬光年的M87星系中心的黑洞進(jìn)行拍照，發(fā)現(xiàn)中心存在帶有自旋的超大質(zhì)量黑洞(如圖2)，這也是人們獲得的第一張黑洞的相片。相片中心的暗弱區(qū)域是黑洞所在位置，陰影區(qū)域大約是黑洞視界面的2.5倍，正比于黑洞質(zhì)量。周圍的明亮區(qū)域是黑洞吸積周圍熱氣體所產(chǎn)生的輻射，是人們所獲得的最靠近黑洞視界面的電磁波(毫米波)輻射信息。從圖2中還能看出這個(gè)明亮區(qū)域上下不對(duì)稱，這是由M87中心黑洞自旋所決定的。通過仔細(xì)分析黑洞相片的信息，再一次表明了廣義相對(duì)論的正確性。目前，科學(xué)家還對(duì)銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，以及一個(gè)類星體3C 279進(jìn)行拍照分析，對(duì)廣義相對(duì)論做進(jìn)一步的檢驗(yàn)。

圖2 事件視界望遠(yuǎn)鏡(Event Horizon Telescope)所拍攝M87星系中心黑洞的相片，圖片由歐洲南方天文臺(tái)提供。

除了分析銀河系中心黑洞周圍的引力場，以及超大質(zhì)量黑洞周邊的電磁波輻射，直接探測超大質(zhì)量黑洞的引力波輻射也在緊鑼密鼓地進(jìn)行中。美國國家航空航天局(NASA)和歐洲空間局(ESA)提出了利用激光干涉空間天線(Laser Interferometer Space Antenna，LISA)探測引力波的計(jì)劃，該項(xiàng)目將在空間放置三個(gè)相同的探測器，構(gòu)成邊長為500萬千米的等邊三角形(干涉臂)。目前已有成功探測到引力波的LIGO以及VIRGO項(xiàng)目，可探測較高頻(10～103Hz)的引力波信號(hào)，主要來自雙致密天體的并合。而LISA工作頻段更低(10-4～10-2Hz)，它的主要探測目標(biāo)之一就是星系中心兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的并合事件，我們也希望LISA在將來能夠獲得超大質(zhì)量黑洞存在的觀測證據(jù)。

3 總結(jié)和討論

目前人們普遍接受上文所列黑洞觀測證據(jù)，認(rèn)可恒星級(jí)黑洞以及超大質(zhì)量黑洞的存在，并且對(duì)于恒星級(jí)黑洞的形成也有很好的理論支持。但只要稍微細(xì)心一點(diǎn)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這兩類黑洞之間還存在一個(gè)質(zhì)量空缺，也就是質(zhì)量在100～106倍太陽質(zhì)量范圍的黑洞——中等質(zhì)量黑洞。尋找這類黑洞的重要性不僅僅在于其自身的存在性，更在于幫助我們理解大質(zhì)量恒星以及不同質(zhì)量黑洞的形成演化，比如星系中心超大質(zhì)量黑洞的形成。目前，有些觀測表明：在矮星系中心以及星系中的極亮X射線源內(nèi)存在這類中等質(zhì)量黑洞，但仍缺乏一錘定音的證據(jù)。

此外，一些學(xué)者認(rèn)為在宇宙早期由于密度漲落、引力不穩(wěn)定性，物質(zhì)可直接坍縮形成黑洞。這些黑洞也被稱之為原初黑洞，它們的質(zhì)量分布較廣，也可能有一些相應(yīng)的觀測效應(yīng)。例如，霍金輻射理論認(rèn)為，黑洞不僅能夠吞噬周圍的物質(zhì)和輻射，也可以通過霍金輻射損失質(zhì)量，對(duì)于質(zhì)量較小的原初黑洞來說，霍金輻射效應(yīng)更明顯。有宇宙學(xué)理論認(rèn)為：觀測上所需的暗物質(zhì)一部分就是原初黑洞。原初黑洞還被用來解釋上文所提的大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞(30～100倍太陽質(zhì)量)，甚至有人用原初黑洞來解釋太陽系中“時(shí)隱時(shí)現(xiàn)”的第九大行星。但目前這些觀點(diǎn)都僅僅是猜測，需要更多的觀測檢驗(yàn)。