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1、宇宙的未解之谜黑洞按照近代物理学的观点，“黑洞”是由超中子星临界质量的重级恒星发生引力塌缩而形成。在渐近平坦的时空间中，其引力场强到能“吞食掉”任何物质（连光和电磁波也无法逃脱），故而这样的时空域被形象的称为“黑洞”。黑洞的存在，最早为牛顿力学所预言，后来广义相对论从理论上对其作出了进一步论证。从此，黑洞为全世界的物理学家和天文学家所瞩目。特别是近十年来，黑洞物理学，作为相对论天体物理学的一个新分支，又作为广义相对论的一个新分支活跃于科学舞台。然而，至今谁也没有确实观察到这种奇异的天体。天文学家把某些天体说成是黑洞，论据却还不足；从某种意义上来讲，可以认为，“黑洞”仍是一个未解之谜。“黑洞”是
2、根据广义相对论预言存在的天体，它凭着自身的引力把空间中的切“禁闭”起来。黑洞的大小若用质量相比较的话，那么具有太阳质量的黑洞，半径只有 3 公里。黑洞把一切物质吸入，连光都不可能逸出。事实上，当物质被吸入黑洞的“地平线”下之前，黑洞极强的引力场引起了超高速运动，由此释放出巨大能量。其原理与水力发电相似，在水力发电中，下落的势能转化为电能。对黑洞来说，因引力下落的能量由于摩擦转变为热能，并最终转变为光能。 早年的牛顿力学认为， 当星球的半径小于一定的值时，即小于临界半径时即使时光也不能从星球的引力中逃逸出来。因此，这种星球不能像太阳那样向外部空间辐射出光及其它任何信号。光只能返回其表面被吸收，使
3、我们看不到这种星球。这就是牛顿理论中的黑洞。之后一百多年的时间内，这一预言却没引起人们的注意。“光受到强引力场的作用”，也只是一种假设而已。直到1915 年，才直接成了爱因斯坦提出的广义相对论中的一个结论。纯粹从广义相对论的角度来看，引力根本不必走出黑洞。广义相对论是一个局域理论，即时空中一点的场完全由在该点正与之以光速或低于光速相互作用的事物所决定。 如果一颗恒星坍缩成一个黑洞，其外部的引力场完全可以通过计算它变成黑洞以前的恒星的性质和外部引力场来获得。正如我们在掉入黑洞前的最后阶段所发出的光线将花费越来越长的时间以达到处于远处的观察者一样，恒星坍缩末期所发生事件的引力效应将花费越来越长的时
4、间传播到遥远的外部世界。从这个意义上说，黑洞是一种“冰冻的恒星”：其引力场是“化石”场。黑洞的电磁场也是同样的。通常此类问题都冠以“引力”、假定的“时空扭曲”等术语来发问。但如果有类似于引力的东西用“引力粒子”来进行类似于引力的相互作用，它们怎么才能跨过视界发生作用呢？广义相对论中不存在引力子，因为广义相对论不是一个量子理论，当它发展完全以后可能会成为量子引力理论的一部分。但纵然如此，它也不一定是最好的用来描述虚拟引力子产生的引力效应的理论。参见虚拟粒子对此的讨论。黑洞辐射现象向目前公认的物理理论提出了新的挑战。一颗塌缩前的恒星，几乎全由正粒子组成，当它的质量超过中子星质量的上限时，它将在强大
5、的自重力作用下，一直塌缩下去而成为黑洞。因此，黑洞的确代表着恒星的“死亡”。由于“死亡”了的经典黑洞的温度极低，所以它是不会辐射的。然而，Hawking 的黑洞蒸发理论却告诉我们在宇宙中能够存在一种微黑洞，它会“蒸发”，它将在一次大爆炸中化为炽热的星云。就像恩格斯的著名预言那样：“死去的太阳转变为炽热的星云”。一个崭新的世界，在旧世界的末日中诞生。天才的黑洞物理学家们为我们勾划出了这样一幅极为生动的宇宙大循环理论图像。按照恒星演化理论，认为黑洞是这样形成的：恒星演化到晚期，它内部的热核燃料烧完之后，由于引力塌缩作用，晚期恒星将塌缩下去。当它的质量M1.4M日时，它将成为白矮星，白矮星内部的电子
6、简并压力抗衡了引力，使塌缩终止；当它的质量，1.4M日M3M日时，它成为中子星，中子星内部的中子简并压力抗衡了引力，使塌缩终止；当它的质量 M3M日时，不存在可能的平衡状态，它只能继续塌缩下去而形成黑洞。还有其他宇宙过程可以形成黑洞。例如在形成星系、星系团时，一部分物质不能形成平衡的天体，发生引力塌缩，可形成质量为 1081011M 日的黑洞，现在以“不发光的物质”形式存在的可能性较大。还如在高密星团和星子核内的动能急剧失散时，也可能发生引力塌缩形成黑洞。甚至还有人认为，在很早以前，天体还没有形成时，黑洞就可能存在了，这些黑洞叫做“原始微黑洞”。我国物理学家方励之等人提出，“反常中子星”可能是
7、形成黑洞之前的前兆情况。国外还有人提出“夸克”星。根据广义相对论预言，在浩瀚的宇宙中有许多黑洞存在。因此，人们在对黑洞进行理论研究的同时，广泛开展了在茫茫宇宙中寻觅、观察黑洞的工作。连任何信号都不可能发出的黑洞，在这么广袤的宇宙里寻找起来十分的困难。更何况冷却了的白矮星和中子星也同样可认作为暗天体存在，观测时，它们与黑洞很难区别。黑洞虽然很难直接观察到，但理论预示，由于中子星具有临界质量，如能观察到有比中子星更重、更暗的小型天体，它可能就是黑洞。落入这个洞的物质（如所吸收的气体），在堕落途中到被吞没之前，围绕黑洞形成旋转的圆盘。围绕黑洞旋转急剧堕落的这种加热的和可能磁化的等离子体能够辐射能量，
8、所以黑洞在某个时期作为活动的天体被观测到的可能性比作为暗天体被观测到的可能性大。再者，根据前面所说的“黑洞蒸发”辐射理论，如果宇宙中真还有原始微黑洞存在，可能产生强大的 射线，放出高能粒子，按理现在能直接观测到这种正处在“蒸发”辐射的微黑洞。此外，由于其它天体处在强引力场尚未显现的情况，可以说黑洞是引力波发生之源的唯一依据，这样人们便可通过观测引力波来寻找黑洞了。如前所述，落入黑洞的物质，在被黑洞吞没之前，它将绕黑洞旋转并辐射能量。由此人们认为，充当双星系子星的黑洞，其引力场在很大距离处与普通恒星引力场无区别，因为它影响另一子星（恒星）的运动。此系统的双子星相互围绕旋转，演化的某一阶段会发生强
9、烈的物质交流，奔向黑洞的物质发出 X 射线。那么，发出 X 射线处的子星就是黑洞。70 年代以来，随着“X 射线天文学”的诞生，人们对双星的 X 射线进行了大量的观测。在北斗七星的旁边，大熊座的“熊头”附近，有一个形状不伦不类的 M82星系。直径达 1200 万光年的 M82 星系，有一条黑色缝隙横贯其中，所以它得到了一个“破裂星系”的绰号。这条黑色缝隙实际上是一个由混杂尘埃的气体构成的，而 M82 星系本身是一个标准的“透镜”型星系。M82 星系具有显著的特征，其中心部位以超过别的星系数千倍的速度诞生着新的恒星。最近在被称为“星爆”的 M82 星系中，天文学家发现了奇异的天体。 事实上，对被
10、称为“X射线双星”的天体的观测表明，气体被吸入黑洞后释放出的是光放射。黑洞是与中子星或是巨星构成彼此绕转的双星，从巨星流出的气体在旋转着落入黑洞或中子星时，会放出大量 X 射线。在这种情况下黑洞具有太阳的质量，若具有8 倍于太阳的质量，那便是超新星爆发后的残存物。中子星是仅由中子构成的天体，比黑洞要大上数倍。 迄今为止已知的 X 射线双星系统最亮者达到太阳光度的 100 万倍程度，M82 星系发现的 X 射线天体在此基础上又增高了 10 倍。由此估计这个黑洞的质量约为太阳的 460 倍到最大为 1 亿倍。总之，这个黑洞的质量很可能远远超过了太阳。这说明，在 M82 星系发现的是待确认的黑洞，而
11、不单纯是超新星爆发后残存物。夏季的夜空，位于天鹅座的东北角会出现一颗取名为 HDE226868 的蓝色巨星，有一个称为天鹅座 x-1 的天体就作为这颗蓝色巨星的伴星，以周期 5.6 日在蓝色巨星的周围盘旋。美国加利福尼亚大学的一个研究小组用一种高灵敏度的新探测仪重新考查了天鹅座 x-1，认为天鹅座 x-1 很可能就是黑洞，但并不能肯定。 1997 年，哈勃太空望远镜首次观测证实，类星体处于星系的中心部位，是星系的核心。在那里极有可能存在巨大黑洞。但是此说难圆，迄今发现的类星体大约只有星系数目的百分之一，仅仅以此为依据还不能认为任何星系都存在巨大黑洞。 到目前为止，天文学主要依靠光、电波、X 射
12、线等电磁波作为手段进行观测。但是电磁波在物质中几乎不能穿行，要想了解星体内部，只能获得少得可怜的信息。因此希望之一，来自引力波望远镜。如果引力波望远镜能制造成功，那么我们就能像了解太阳那样看到遥远处巨星的塌缩姿态和黑洞了。另一个希望来自太空望远镜。把口径为 2.4m 的光学望远镜载上航天飞机，送入地球轨道，就不难以角分辨力为 0.01 秒的精度分析天体，直至观测到 26 等星。使用了太空望远镜，虽然仍无法直接观察黑洞，却能捕捉到引力透镜现象。通过黑洞边缘的光线，会因黑洞引力场引起弯曲而形成扭曲图像，这些像可用高分辨望远镜进行观察。黑洞物理学发展到当代水平，使热力学、广义相对论和量子场论相结合，无论理论研究还是搜寻观察都取得了令人振奋的进展。然而对双星的引力波和X 射线的观测并不是直接观察，更不是对引力波源和 X 射线源的直接观测，即还未直接观测到黑洞的确切存在。这为当今和未来的物理学家和天体物理学家，提出了更新的课题，留下了更艰巨的任务,大量的问题有待于进一步去探索。然而随着科技的发展，我们有理由相信，人类必然会解开黑洞神秘的面纱。
