隨著黑洞的麵紗被一層層地撩開,黑洞不僅為諸多天文學家,也為廣大的天文愛好者所關注。那麼究竟什麼是黑洞呢?
什麼是黑洞?
黑洞這個名稱使我們聯想到一個充滿神秘詭異的天體。這種天體從何而來,有什麼特征呢?讓我們回到18世紀末,那時牛頓的光微粒說和引力理論還占據著統治地位。
英國牧師約翰·米切爾在一篇1783年英國皇家學會會議上宣讀過並隨後發表於《哲學學報》的論文中寫道:"如果一個星球的密度與太陽相同而半徑為太陽的500倍,那麼一個從很高處朝該星球下落的物體到達星球表麵時的速度將超過光速。所以,假定光也像其他物體一樣被與慣性成正比的力所吸引,所有從這個星球發射出的光將被星球自身的引力拉回來。"此後不久,法國天文學家皮爾·西蒙·拉普拉斯於1796年在他的《宇宙體係論》中作了類似的卻更精彩的論述。他說:"正是由於這個道理,宇宙中最明亮的天體很可能卻是看不見的。"(後者被稱為"黑洞之父")。
後來愛因斯坦對牛頓的兩個理論都有修正,卻並不影響他的廣義相對論對不可見天體存在的預言,這是通過德國物理學家卡爾·史瓦西求得的愛因斯坦方程的某一精確實現的。實際,真正確立預言是在1939年。那是美國物理學家奧本海默和施奈德用廣義相對論解方程研究一種球對稱和沒有內壓強的簡化"模型星"的坍縮的時候,他們發現,在一定情況下其引力是如此之強,以至於沒有任何力量能夠阻擋星體的坍縮,直至成為一個體積為零、密度無限大的"點",或者說是物質連同時空一道坍縮成連光也不能從中逃逸的區域。而惠勒在1967年12月29日的講堂上將"引力完全坍縮物質"一語重複十餘次之後,覺得應該有一個更好的名詞:那就是"黑洞"......
簡單地說,黑洞就是一個其中的引力場強到使任何物質和輻射包括光都不能逃逸出來的時空區域。換一種說法,我們可能會更深刻地體味到黑洞的奇妙誘人:宇宙中有這樣的星體,不可能被看到,卻能吸進所有近旁的物質。那是個封閉的世界,與我們的世界完全隔絕;那是個無底深淵,所有物質都會被無情地吸入和粉碎;那是架時間機器,是連接別的宇宙的通道......(《黑洞》序言),它總是能引起人們無窮無盡的幻想。
按照上麵的描述,黑洞幾乎不能保持形成它的物質所具有的任何複雜性質。它對前身物質或成分沒有任何記憶,擁有的隻是質量、角動量(自旋)和電荷三個最基本的特征。這被形象地稱作"黑洞無毛"。但霍金在1973年提出,量子效應會令黑洞輻射粒子當即蒸發,最後將不會留下任何初始的質量。黑洞既是一個時空概念,更是天體演化的結果。
黑洞的誕生
我們生活的地球、頭頂上的太陽、月球以及數不清的星球都保持著比較穩定的球形。為什麼能這樣呢?那是因為它們的重力和壓力能保持平衡。像地球之所以沒有被自身的重量所壓垮,乃是因構成地球的物質間有電磁力與之抗衡。而太陽內部核反應所產生的巨大外向壓力支撐著被引力拉向中心的球體。一旦壓力消失或重力因故大幅增加,便無法繼續保持力的平衡,於是發生重力崩潰而不斷收縮,最後坍縮成一點,即變成黑洞。也許我們來設想一個具體的密近雙星係黑洞誕生的過程,會更真切地感受到黑洞這一人類智慧模型的意義。在茫茫宇宙中,許多像太陽一樣發出明亮光輝的恒星,借重彼此的重力互相吸引,繞著共同的重心旋轉,稱為"雙星係",其中有一個主星的質量約為太陽的30倍,伴星質量約為太陽的8倍。由於恒星的演化形態由其質量決定,主星較明亮,燃料消耗得較快,壽命也較短,它在生存了大約l000萬年以後先演化成紅巨星,其大氣也會逐漸膨脹而流入伴星的引力圈。再過200萬年,主星終於發生超新星爆炸。外層部分的氣體高速擴散到星際空間。伴星也受到爆炸的影響,整個雙星係有崩潰的可能。由於爆炸,主星內部往中心壓縮,無限地持續重力崩潰,最終形成高明度天體黑洞。經過5000萬年以上,伴星也演化到了紅巨星階段,大氣膨脹到達引力圈而流入黑洞,並在黑洞周圍形成沉積圓盤。由於從伴星流入的氣體具有旋轉能量,所以不會立刻掉進黑洞中。這些氣體在沉積圓盤中反複摩擦,逐漸消耗掉旋轉能量,緩緩地掉進內側。摩擦熱把氣體加溫,使其放射出X射線及伽馬射線......這些射線是我們發現和觀察黑洞的主要根據。