從恒星到黑洞

王永寬

1767年，丹麥天文學家羅麥首次證明了光速是有限的這一事實，為100多年后預言黑洞的存在創造了條件。否則，人們是無法理解引力場將對光粒子產生影響這一效應的。

一般認為，英國的約翰·米歇爾是最早對黑洞的存在做出預言的人。他于1783年發表文章指出，一個有足夠大質量和密度的恒星，同時也擁有強大的引力場，甚至從恒星表面發出的光線也會被這個引力場吸引回來。15年后，法國天文學家拉普拉斯也獨立地提出了類似的觀點：“一個密度如地球，而直徑為250個太陽的發光恒星，由于引力作用，將不允許它的任何光線到達我們這兒。由于這個原因，宇宙中最大的發光天體也許不會被我們看見。”

其實，理解這種現象并不困難。我們從地面向上拋出一個石頭，由于重力的作用，它最終會落下來。然而，如果這塊石頭的初速度達到或超過了地球的脫離速度(每秒11.2千米)， 就會擺脫地球的引力進入行星空間成為一個人造天體。這一速度來自公式

V=，其中，G是引力常數，為6.672 59×10－11m3／(kg·s2)，M是天體的質量，R是天體的半徑。太陽的質量為1.989×1033克，半徑為6.962×108米，根據這一公式可以計算出太陽表面的脫離速度大概是每秒617千米。這遠遠小于光速C，所以光線能輕而易舉地克服太陽的引力場，我們也因而能夠看到燦爛的陽光。如果當脫離速度V等于光速C時，上一公式就變成：

Rg=2GM／C2。Rg被稱為天體的引力半徑，也就是說一個質量為M的天體，半徑如果小于Rg，它的脫離速度就大于光速，因此天體發出的光就不會逃出它的引力場，那么這個天體就成了“黑”的。

形成黑洞最普通的方式是恒星的死亡。宇宙中不可抗拒的客觀規律就是有生必有死，恒星也不例外。然而，并不像有人認為的那樣，所有的恒星都將演化成為黑洞。事實上，恒星是否會坍縮成為黑洞，與其自身的質量有著很大的關系。

以太陽為例。太陽是一顆極其普通的恒星，已經存在了50億年左右，可以說正處在它的青壯年時期，也就是“赫羅圖”中的主星序階段。在這一階段，它的能量主要來自中心區域發生的氫聚變熱核反應——四個氫原子聚合成一個氦原子。而一個氦原子的質量小于四個氫原子的質量之和，其余的質量則按照愛因斯坦著名的質能關系式E=cm2轉換成了能量。根據公式，僅1克氫聚變成為氦就會釋放出大約6×1018爾格的能量。因此，太陽在這種反應過程中釋放出了巨大的能量，它們能夠與自身的引力達到平衡，由此維持著一個相對穩定得多的狀態，這也是生命出現和發展的基礎。

直到五六十億年后，中心區域的氫燃料消耗殆盡，熱核反應停止。那時，由于輻射壓力的減弱，太陽內部的中心核在引力作用下開始收縮。在達到極高的壓力和溫度時，核心的氦開始了聚變成碳的反應，同時引燃外部的氫殼進行燃燒，從而產生了更強大的能量。太陽的外層大氣在新的輻射壓力的作用下向外膨脹，最終將到達地球現在的公轉軌道附近(由于太陽質量的減少，那時的地球軌道已經向外延伸了)。盡管地球的表面將被熔化得面目全非，但終究可以幸免于難，而水星和金星這兩顆內行星卻沒有這么幸運：它們將被不斷膨脹的太陽吞沒并被氣化掉。這就是太陽的衰老期，即紅巨星階段。

在距今大約70億年的時候，氦燃料也消耗盡了，太陽核心將再次收縮，最后依靠電子間的排斥力(泡利不相容原理)與引力達到平衡。此時，太陽龐大的外殼已經脫落，形成行星狀星云，其核心收縮成大小與一顆行星差不多，而密度達到每立方厘米幾十噸的白矮星。這時的太陽內部已經沒有強作用的熱核反應了，只是依靠剩余的燃料發光。因為其質量已經不到現在的一半，所以地球與它的距離也比現在遠得多了。這顆白矮星的視直徑只有9角秒，比今天從地球上看金星或者木星還要小，亮度也降到現在的1％左右。如此下去，又經過幾十億年，隨著太陽內部殘余的熱能都消耗殆盡，它的亮度將越來越暗，最終變成看不見的黑矮星，結束了它轟轟烈烈、功不可沒的一生。

宇宙中還存在著許多質量比太陽要大得多的恒星，以至于有些恒星在演化成白矮星的過程中，電子間的排斥力無法對抗自身強大的引力。在這種情況下會出現什么后果呢?

1928年，印度研究生薩拉瑪尼安·強德拉塞卡在去英國的途中計算出，如果恒星的質量超過太陽質量的1.4倍，白矮星狀態將不會形成。前蘇聯的列夫·蘭道在1930年也獨立做出了類似的計算。這類恒星的核心在進一步坍縮時，釋放出的大量的引力能會以中微子的形式加熱恒星外殼，并使之發生強烈的爆炸，這是目前已知的在恒星世界中最激烈的爆發現象——超新星爆發。而恒星核將處于穩定狀態，也就是在中子和質子之間的排斥力的支持下穩定下來，這就是中子星。位于金牛座ζ星西北處的蟹狀星云，就是一個超新星爆發的遺跡。這次爆發在公元1054年被宋代的天文官觀測到并記錄了下來，這也是世界上最早的有關超新星爆發的記錄。中子星的直徑更小，只有幾十千米，但它的密度卻驚人得高，每立方厘米幾千萬噸，這在當時確實有些令人難以置信。

1967年8月，英國劍橋大學的一位女研究生約瑟林·貝爾發現了來自狐貍座的一種周期穩定的射電脈沖。她的導師安東尼·赫維斯卻不相信這會是地外現象，只認為是來自地球大氣層內的一種干擾。在隨后的幾個月里，脈沖信號被貝爾多次記錄下來，并且證實發出信號的天體距離太陽系非常遙遠。在這種情況下，赫維斯才開始重視貝爾的發現。起初，他們以為這是另一種智慧生命發來的聯系信號，他們把這些“外星生物”稱為“LGM”，即“小綠人”。到1968年初，通過觀測和對以前記錄的檢查，又發現了三個類似的射電源。難道宇宙中竟然有幾個外星文明如此巧合地用同一種方式與我們進行聯絡嗎？最后，事情變得清楚了，他們意識到這是一種從來沒有被人發現過的新型天體——脈沖星。同年，美國天文學家戈爾德和其他幾位天體物理學家得出結論，脈沖星是一種磁場很強、快速自轉的中子星。這是證明中子星存在的最早的證據，同時也使那些相信黑洞存在的人增加了信心。畢竟，像中子星這樣緊密的天體都可以形成，那么黑洞的存在也在情理之中了。

與白矮星類似，中子星的形成也有一個限制，它被稱為藍道—奧本海默—沃爾科夫極限，即2.5倍太陽質量。超過這一極限的恒星很多，有些已經達到了太陽質量的100倍。這樣的恒星在拋出一部分物質后，其剩余的質量仍然很大，以至于沒有任何力量可以阻止一個災難性結果的發生：它會一直坍縮下去。當這顆恒星的半徑收縮到小于引力半徑Rg時，對于遠處的觀察者來說，它將從視線中消失，形成了一個黑洞。

雖然黑洞不會發出光線(如果考慮到量子效應，黑洞并不是黑的，它也像熱體一樣發出輻射)，人們仍然能夠通過間接的測量手段確定它們的存在。如果在離黑洞足夠近的距離內有一顆恒星，它們就會構成一個雙星系統，彼此圍繞著一個共同的引力中心轉動。強大的黑洞引力場會將周圍的氣體、塵埃以及可見伴星的表面物質吸引過去，以極高的速度按螺旋軌道落向黑洞。這個過程產生的高溫達到了幾百萬攝氏度，并且會發射出強大的X射線，這就形成了X射線和紅外線源。天文學家觀測到了許多這樣的系統，例如，天鵝X－1和大麥哲倫星云X－3就具有這些特征。從可見星的軌道變化可以計算出不可見伴星的質量，結果顯示，它們的不可見伴星的質量太大了，看起來只能是黑洞。而A0620不同，它不僅有一顆伴星V616，而且自身被一個可觀測到的物質圓盤包圍著。通過對來自吸積盤和伴星的譜線測量，確定了吸積盤中心的天體質量已經超過太陽3．8倍，所以A0620也是一個很好的黑洞候選者。

從理論上說，黑洞的類型按照質量可以分為三種。一種是在宇宙開端時的高溫、高壓條件下形成的質量不大的“太初黑洞”。它們的半徑相當于一個中子或質子，而質量大約近10億噸。第二種是上面所說的由恒星坍縮形成的黑洞，也被稱為“坍縮星”。因為在宇宙漫長的歷史中已經有無數的大質量恒星耗盡了燃料，所以這種黑洞的數量應該是非常多的。還有一種是巨型黑洞，它的質量大得驚人，相當于太陽的幾十萬倍到上億倍，目前還無法解釋它的形成原理，但許多科學家都確信這種黑洞存在于一些星系和類星體的中心。有些證據表明，在銀河系的中心就很可能有一個質量大約是太陽幾十萬倍的巨型黑洞。最近，天文學家在M82星系中又發現一個據說是新型黑洞的天體，它的X射線亮度比我們星系中任何一個X射線源都要亮100倍，距離地球1000萬光年。

浩瀚宇宙，無盡蒼穹，當我們仰望星空的時候，最容易想到的是自身的渺小和脆弱。從脈沖星聯想到小綠人，從黑洞又聯想到時間旅行，人類的視線和想象力一同在飛速地延伸，而視界之外的那些未知事物還在等待著我們去探索、去了解。