淺說黑洞的原理與形態

■建一

通過天文觀測設備探測到的種種跡象表明，神秘的黑洞并不是憑空想象出來的理論模型，而是一種客觀存在的擁有高強度磁場的天體。

黑洞原理

總體上，宇宙的溫度是相對均勻各向同性的，物質的聚合分散都由溫度這只無形的手來操縱。宇宙大尺度空間中有一個相對恒定的溫度值，這個溫度值就決定了物質運動的規律性，自然界物質在不斷地從溫度高的區域向溫度低的區域、由密度大的區域向密度小的區域運動，大到星球、星系，小到分子、原子的形成和演變，都在這一框架內。當一個結構空間的溫度值低于這個相對孤立系統的均衡點時，熱量會從高溫區向低溫區傳遞，周圍物質必然會從密度較大的區域向這一密度較小的區域匯集，出現一個吸引力大于離心力的區域，在物質流的慣性作用下形成一個高速旋轉的旋渦。

現代科學證明，決定物質能量大小的有兩個重要因素，一是物質的質量，二是物質的運動速度。各類物質結構由于質量的不同，運動速度的差異，會產生能量大小程度不同的磁場。任何空間結構都存在磁場，只是有強弱之分罷了，物質結構和磁場不可分割。磁場與電場一樣，也具有力和能的特征，磁場的能量可以因物質運動速度產生疊加效應，使該空間的物質密度增大、運動速度加快而形成一個磁場旋渦。

當磁場旋渦中的構成物質凝聚向一個方向做有序運動時，快速旋轉運動產生的巨大引力會吸引附近的物質以螺旋形軌道向磁場旋渦中心運動，而環繞磁場旋渦中心運動的超高速粒子流在磁場斥力的作用下又不斷地向磁場旋渦中心的邊緣集中。這時，磁場旋渦中心的邊緣就形成一個由高速旋轉的物質組成的環狀吸積盤，磁場旋渦外圍的物質不易進入到磁場旋渦中心區，而磁場旋渦中心區的物質又不斷地被吸走，于是在磁場旋渦的中心就形成一個負壓狀態、相對真空的管狀區域——黑洞。

黑洞形態

在黑洞磁場強大能量的推動下，被黑洞吞噬的物質相互激烈摩擦而發熱，轉變為溫度極高的等離子體，向四周釋放出X射線等各種強烈輻射。當黑洞中心的超高溫、超高速物質流向外噴射時，由于受周圍環狀吸積盤的阻擋不能平行噴射，只能向環狀吸積盤中心沒有物質阻擋的兩極噴射出來，并受磁場斥力助推，在與吸積盤垂直的方向上形成長長的物質噴射柱（如恒星級黑洞和星系級黑洞的超高速粒子噴流及熾熱氣體噴流）。

黑洞的形態，就像地球上大氣運動產生的熱帶氣旋——臺風。臺風在水平上有三個明顯的不同部位：臺風眼、云墻區、螺旋云帶。臺風眼是個直徑很小的低氣壓空心管狀區；臺風眼外圍的云墻區是急速旋轉的氣流形成的狂風暴雨區域；云墻區外是螺旋云帶。在旋渦云團中心區域，即臺風眼，由于空氣稀薄，氣壓很低，因此氣流不易進入，反而是風平浪靜的區域。臺風的整體形態與黑洞的整體形態十分相似，螺旋云帶就像恒星級黑洞的不可見旋臂和星系的可見旋臂；云墻區就像恒星級黑洞發出高能輻射的環狀吸積盤和星系級黑洞中心附近恒星密集的環狀區域；臺風眼就像神秘的天體——黑洞。

在宇宙中，不同的結構空間會產生質量大小不同的黑洞，可分為恒星級黑洞、星系級黑洞，以及比星系級黑洞更大的黑洞。

恒星級黑洞

恒星級黑洞是由氣體塵埃構成的，它的“黑”這一特征是因為構成物質密度非常小，反射可見光的效果非常微弱，而且可見光的傳播能力有限，所以用光學望遠鏡看不見。當恒星級黑洞周圍的物質增加到相當大的體積和密度時，就發展成可以通過光學望遠鏡直接觀察到的星球的胚胎——彌漫星云，之后便開始了逐步向恒星演變的進程。恒星級黑洞不是星球演化的最終歸宿，而是星球演化的初始階段。

尋找恒星級黑洞的可行途徑是利用一顆恒星與一個黑洞組成的雙星系統（如天鵝座X－1），由一個明顯可見的明亮星球和一個看不見的天體（從正常星球運行軌道可推斷其存在）所組成，通過可見亮星的運行周期、質量來判斷恒星級黑洞的存在。我們雖然看不見恒星級黑洞，卻能看到恒星級黑洞從亮星吸引出氣體，這些氣體圍繞恒星級黑洞旋轉，形成一個圓形吸積盤。這一不可見暗星與可見亮星圍繞共同的平動點運轉，它的氣體吸積盤發出的強烈X射線以及垂直于吸積盤盤面的、方向相反的兩股高速氣體噴流，就是恒星級黑洞的共同特征。

星系級黑洞

星系級黑洞主要是由恒星等天體構成，因此我們能在可見光的范圍內觀測到它的旋渦狀完整形態，只是無法看到物質密度極其稀薄的星系中心——黑洞。

星系大多是一種旋渦狀的形態，巨大無比的物質流從外部朝直徑只有幾百光年的螺旋體中心聚集旋轉，離旋轉中心越近，旋轉速度越快。幾乎所有的星系中心都存在一股氣流，它被強大的引力吸入黑洞的漏斗狀洞口。當這股氣流被完全吸入黑洞前會產生嚴重電離，進而放射出一股電流。在星系中心周圍的區域，恒星運行的速度會明顯加快，表明它們正被拉向某種引力巨大的地方，即星系級黑洞。

星系級黑洞隱匿于星系的正中心，多半情況下，它的質量（實際是高速旋轉產生的能量）與該星系中所有其他天體的質量之和成正比。根據開普勒定律，氣體的旋轉速度應與其圍繞天體的質量的平方根成正比，與旋轉半徑的平方根成反比。如果能確定旋轉速度和半徑，就能求出那個天體的質量（能量）。計算結果是：10億倍太陽質量的黑洞的半徑，只有大約10天文單位。也就是說，星系級黑洞的能量巨大，但區域卻很小，與臺風眼的形態正相符。科學家對銀河系附近的27個星系進行研究取得的初步結果表明，幾乎所有星系中心都存在超級黑洞。

更大規模的黑洞

另外，宇宙中除了恒星級黑洞和星系級黑洞外，還有更大規模的黑洞，如星系團、超星系團等的黑洞。科學家曾在牧夫座方向上發現了一個尺度達60′的“巨洞”，其內部星系的密度只有平均密度的1/5。“巨洞”周圍存在一些星系密度較高的壁狀區域，星系集中分布在壁狀區域內，壁狀區域中心則是空洞。宇宙中的物質因相同的原理必然會有相同的形態。按黑洞的原理和形態來說，它倒真是一個名副其實的“黑暗磁場旋渦空洞”。