湖北省丹江口市石鼓鎮(zhèn)中學(xué) 王 兵

2019 年，30 多位各國(guó)科學(xué)家利用全球各地的8 臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，歷時(shí)4 年拍攝并“沖洗”的世界上第一張黑洞照片終于被公之于眾。這張室女座超巨橢圓星系M87 中心的超大質(zhì)量黑洞照片看起來(lái)非常模糊和夢(mèng)幻，但卻更加激起了大家對(duì)黑洞的好奇。

世界上第一張黑洞照片

黑洞的形成

黑洞是現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種天體。在很多科幻小說(shuō)或電影里，人們可以通過(guò)黑洞來(lái)穿越時(shí)空或進(jìn)行星際旅行。那黑洞究竟是從何而來(lái)的呢？

據(jù)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的黑洞形成的原因可能并不相同。例如恒星質(zhì)量的黑洞，也就是大概三到幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，它的產(chǎn)生過(guò)程大致是這樣的：恒星死亡的時(shí)候，其中間的鐵質(zhì)核心會(huì)發(fā)生引力坍縮；引力坍縮到一定程度的時(shí)候，引力勢(shì)能釋放會(huì)引發(fā)爆炸；爆炸的沖擊波在向外擴(kuò)張的時(shí)候，引力坍縮仍在繼續(xù)，坍縮產(chǎn)生的引力強(qiáng)過(guò)爆炸力之后，又將其產(chǎn)生的能量、物質(zhì)統(tǒng)統(tǒng)都吸引回來(lái)，于是便形成了黑洞。大致上可以說(shuō)是由于超新星爆炸失敗，產(chǎn)生了恒星質(zhì)量的黑洞。

另外一種超大質(zhì)量黑洞，是指百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上的黑洞，它們一般都位于星系靠近中間的位置。目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為，銀河系的中間就可能存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞?？茖W(xué)家認(rèn)為超大質(zhì)量黑洞在初生的時(shí)候可能并沒(méi)有那么大，而是在漫長(zhǎng)的時(shí)間里不斷吸入星系里的氣體、恒星等周圍物質(zhì)，才逐漸“長(zhǎng)”成那么大的。

還有一種中等質(zhì)量黑洞，也是科學(xué)家一直在尋找的黑洞，被認(rèn)為是黑洞演化理論中重要的“缺失環(huán)節(jié)”。著名科學(xué)家霍金還提出過(guò)一種量子黑洞，也叫微型黑洞。據(jù)他推測(cè)，量子黑洞會(huì)發(fā)出一種熱輻射，也叫黑洞輻射或霍金輻射。但遺憾的是，霍金輻射目前并沒(méi)有被實(shí)際觀測(cè)到。

黑洞的存在

我們普通人大概只知道黑洞的引力非常大，任何經(jīng)過(guò)它附近的物質(zhì)都會(huì)被吸進(jìn)去，就連光也不例外。但是，黑洞并不是我們認(rèn)為的一個(gè)洞的概念，而是一種密度無(wú)限大、體積無(wú)限小的奇異天體。那我們是如何發(fā)現(xiàn)黑洞的呢？

絕大多數(shù)天文愛(ài)好者都認(rèn)為黑洞的發(fā)現(xiàn)是在愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論之后。但其實(shí)早在18 世紀(jì)晚期，英國(guó)科學(xué)家約翰·米歇爾就提出了“暗星”的概念。他所假設(shè)的關(guān)于“暗星”的各種特性，事實(shí)證明已經(jīng)非常接近于我們現(xiàn)在所說(shuō)的黑洞。

然而在當(dāng)時(shí)，人們無(wú)法理解沒(méi)有質(zhì)量的光和引力之間是如何產(chǎn)生作用的，所以沒(méi)人相信約翰·米歇爾的猜測(cè)。直到愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論發(fā)表之后，人們經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)黑洞。因此，科學(xué)家把廣義相對(duì)論看作是黑洞存在的理論基礎(chǔ)。

1915 年，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程式發(fā)布兩個(gè)月之后，德國(guó)科學(xué)家卡爾·史瓦西計(jì)算出了這個(gè)方程中的一個(gè)精確解，也就是我們所說(shuō)的“黑洞的史瓦西半徑”。在這個(gè)半徑內(nèi)，所有的物質(zhì)都向著位于黑洞中心的奇點(diǎn)坍塌。所以，黑洞這個(gè)無(wú)法被人類直接觀測(cè)的天體，首先是被數(shù)學(xué)家通過(guò)理論公式計(jì)算出來(lái)的。

黑洞的發(fā)現(xiàn)

就連光都無(wú)法逃脫黑洞的引力，因此我們也就無(wú)法在光學(xué)上觀測(cè)黑洞。那我們?nèi)绾握业胶诙茨兀?/p>

在著名科幻電影《星際穿越》中，我們看到卡岡圖雅黑洞周圍有一圈非常明亮的光環(huán)。而在現(xiàn)實(shí)中，由于黑洞產(chǎn)生的引力效應(yīng)，也確實(shí)會(huì)在它的周圍聚集大量的星際物質(zhì)。這些繞黑洞高速運(yùn)行的星際物質(zhì)被稱為吸積盤。吸積盤在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中一般都會(huì)產(chǎn)生大量的輻射，雖然這會(huì)影響我們對(duì)黑洞大小的判斷，但卻讓它變得光學(xué)可見(jiàn)。

卡岡圖雅黑洞

同時(shí)，由于黑洞本身的質(zhì)量和引力場(chǎng)都很大，科學(xué)家可以通過(guò)觀察黑洞對(duì)其周圍天體的牽引，來(lái)尋找由可見(jiàn)恒星和黑洞組成的雙星系統(tǒng)。那么，什么是雙星系統(tǒng)呢？科學(xué)家又是如何通過(guò)雙星系統(tǒng)來(lái)發(fā)現(xiàn)黑洞的呢？

雙星系統(tǒng)是指由兩顆恒星組成，相對(duì)于其他恒星來(lái)說(shuō)，位置看起來(lái)非常靠近的天體系統(tǒng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果我們觀測(cè)到一顆恒星在繞著一個(gè)我們看不見(jiàn)的天體旋轉(zhuǎn)，我們就可以通過(guò)這顆恒星的旋轉(zhuǎn)周期來(lái)計(jì)算出這個(gè)看不見(jiàn)的天體的質(zhì)量。如果它的質(zhì)量非常大，大過(guò)幾個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，那我們基本就可以確定這就是一個(gè)黑洞。

有意思的是，在科學(xué)家還沒(méi)看到黑洞的本來(lái)面目時(shí)，卻先一步監(jiān)測(cè)到了它的“聲音”。2015 年9 月14 日，人類首 次 探測(cè)到大約13 億光年之外的兩個(gè)黑洞合并時(shí)發(fā)出的引力波信號(hào)。在這次雙黑洞合并中，一個(gè)36 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞與一個(gè)29 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，合并成一個(gè)62 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，并輻射出3 倍太陽(yáng)質(zhì)量的能量。這種巨大的能量以引力波的形式向外傳播，經(jīng)過(guò)13 億光年的跋涉到達(dá)了地球。

黑洞的里面

黑洞的里面究竟有什么？事實(shí)上這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在還無(wú)法回答。因?yàn)檫€沒(méi)有飛行器或人類進(jìn)去之后再出來(lái)。

科學(xué)家推測(cè)黑洞的中心是一顆密度超高的坍縮恒星內(nèi)核，內(nèi)核周圍是一個(gè)叫做“視界”的球面?！耙暯纭睂⒑诙春陀钪娴钠溆嗖糠忠环譃槎M(jìn)入“視界”的東西可能永遠(yuǎn)都無(wú)法出來(lái)。

但是，著名科學(xué)家霍金卻認(rèn)為在“視界”層面上，常規(guī)的物理學(xué)定律不再適用。他推測(cè)，如果有一對(duì)粒子在黑洞的邊緣出現(xiàn)，其中一個(gè)粒子被黑洞吸進(jìn)去了，而另外一個(gè)粒子則會(huì)被迫成為宇宙中一個(gè)實(shí)際存在的粒子。因此，它必須從黑洞里吸取能量。

按照霍金的這種設(shè)想，黑洞會(huì)隨著時(shí)間的流逝，慢慢地減少質(zhì)量，最終會(huì)徹底蒸發(fā)。同時(shí)，霍金還認(rèn)為黑洞是有出口的，就算被吸進(jìn)去也出得來(lái)，但出口可能通往另一個(gè)宇宙。

對(duì)于霍金的觀點(diǎn)，大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為，在沒(méi)有制造出實(shí)驗(yàn)方法之前，它也不過(guò)是一家之言。實(shí)際上，從米歇爾最初提出“暗星”的概念，到我們監(jiān)測(cè)到黑洞的“聲音”，科學(xué)家關(guān)于黑洞的爭(zhēng)論就一直沒(méi)有停止過(guò)。