黑洞之谜

北京大学天文系 吴学兵

(写于1997年秋,部分内容发表于1997年10月10日“科技日报”)

史蒂芬.霍金在他创记录的著名畅销书《时间简史》中形象生动地向 我们描述了一幅幅关于黑洞和宇宙的图象. 作为剑桥大学牛顿和 狄拉克教授职位的继任者, 因全身瘫痪而禁锢在轮椅上的霍金在 该书中不仅完美地向公众解答了关于黑洞和宇宙的一系列有趣 的问题, 而且更向全人类展示了一名献身科学的物理学家探索 宇宙奥秘的执着和勇气.

黑洞是什么?黑洞在哪里?如何寻找黑洞?这些都是人们经常 关心的话题。黑洞也一直以其特有的魅力吸引着广大的理论物理和 天体物理学家。霍金对黑洞研究的两大重要贡献是指出了黑洞奇点 的不可避免性和提出黑洞也存在辐射(后被称为霍金辐射), 这些极富 创造力的见解都曾使整个物理学界耳目一新。尽管直到1968年“黑 洞”一词才被正式提出,但人类关于黑洞的探索却由来已久。尽管 几乎每一次全新见解的提出都曾遭到众多人的怀疑甚至嘲笑, 但这些 看似“荒谬"的结论却往往正是来源于更准确更普适的物理定律.

200年前,英国的米歇尔和法国的拉普拉斯就曾提出: 一个质量 足够大并足够致密的恒星会产生强大的引力场,以致于连光线都不 能从其表面逃逸. 因此从这种星体发出的光不会到达我们这儿而使 得我们不能看见它们。但这种观点随着19世纪光的波动说的流行而 令人淡忘, 甚至连拉普拉斯本人都只好“知趣"地将其从再版的著 作中删去. 由于牛顿理论解决不了引力对光的作用问题, 因此直至 本世纪30年代, 随着广义相对论和量子统计理论的广泛应用, 恒星 引力坍缩的最终归宿才又开始成为科学研究的课题.在白矮星和中 子星的临界质量(分别为1.4个太阳质量和3.2个太阳质量)相继被钱德 拉塞卡和朗道发现以后,1939年美国物理学家奥本海默首次用相对 论证明存在这样一个时间-空间区域, 光或任何东西都不可能从该 区域逃逸而到达远处的观察者。 这正是现今物理学辞典上对“黑洞" 的定义,这一时间-空间区域的边界现在被称为事件视界. 然而具有 讽刺意味地是,这一发现竟连相对论的缔造者爱因斯坦也不愿接受, 他甚至在1939年亲自撰文指出这一特殊的时空区域是不可能存在的. 由于第二次世界大战的爆发, 关于黑洞的争论也暂时停止。 直到60 年代, 随着大量现代技术应用于天文观测, 类星体,脉冲星和致密X 射线源相继被发现.遥远的类星体3C273所辐射的巨大能量让科学家 们不能不认为产生这种辐射的唯一机制看来只可能是星系整个中心 区域的引力坍缩,而这必将导致在类星体中心存在一个超大质量黑 洞. 对银河系内致密X射线源天鹅座X-1的观测表明它其实是一个双星系统. 物质从可见星表面以风的形式落向不可见伴星时, 在其引力作用下 以螺旋状的轨道向里运动,并且变得非常热而发出X射线。 从观测 数据人们推算其不可见致密伴星质量大约是太阳质量的10倍. 因此 它不可能是白矮星, 也不可能是中子星, 而只可能是一个黑洞。

尽管由于黑洞的奇特性质我们无法对其直接观测,但其对周围 物质强大的引力作用而导致的一些物理效应却为我们提供了一些极 有可能的黑洞存在的证据。 寻找黑洞不仅只是天文学家的一种使命, 而且也日益成为公众颇感兴趣的话题. 90年代随着不同波段空间望 远镜的相继发射和大口径地面望远镜的不断涌现,天文学家们已经 发现越来越多的银河系内X射线源和河外星系中心为黑洞候选体。

黑洞作为致密天体, 是恒星演化后期经历超新星爆发后形成的 产物. 由于黑洞质量一般大于三个太阳质量, 所以可以通过对其质 量的测量区分它与其它致密天体(如白矮星和中子星). 据估计一百 次超新星爆发就应该形成至少一个黑洞, 因此即使在银河系内黑洞 的总数也应是数以百万. 但由于采用动力学方法测量致密天体的质 量函数需要非常高的观测精度, 所以直到目前我们仅较为确切地探 测到3个河内大质量X射线双星系统和约10个低质量X射线双星系 统中的致密天体可能为黑洞候选体,这些致密天体的质量大约为4 到10个太阳质量。除测量质量函数外,另外一种可能更为有效的寻 找黑洞候选体的方法是对这些天体的X射线和伽玛射线波段的高能 辐射进行观测研究. 由于黑洞不象中子星和白矮星一样有较强的表 面辐射,因此黑洞双星系统的高能辐射谱也与其它系统有所不同.最 明显的特征是黑洞双星系统的X射线辐射谱中没有象中子星X射线 双星中明显存在的单温黑体谱分量, 而且其表现为幂律形式的亮硬 X射线能谱中也很少存在100KeV以下的高能截止.这些特征极有利 于我们从众多的河内X射线双星系统中挑选黑洞候选体.

除了在银河系内寻找恒星级黑洞外,天文学家们对银河系中心 及其它近10个河外近邻星系中心进行的动力学质量测量也表明这些 系统中心可能存在质量为几百万至几十亿太阳质量的超大质量黑洞. 而且, 大量的多波段天文观测也暗示在众多的河外类星体和活动星 系核中心普遍存在着这样的超大质量黑洞。未来发射的具有更高分 辨率的空间望远镜可能会让我们了解更多的关于这些超大质量黑洞 附近的物理信息。此外,在宇宙的极早期阶段也会形成质量极小(约 1E15克)的原初黑洞。这些温度极高的原初黑洞由于存在霍金辐射所 释放出的伽玛射线甚至对现在宇宙的伽玛射线背景也会有所贡献。 因此,未来对宇宙伽玛射线背景的探测和研究也可能会让我们得到一些 关于这些一两百亿年前形成的原初黑洞存在的证据。

黑洞的观测特性显然都与黑洞周围吸积物质的物理过程密切相 关。由于黑洞强大的引力作用, 黑洞周围带有角动量的物质将经过 螺旋式的轨道落入黑洞并在黑洞周围形成吸积盘. 黑洞吸积盘的物 理模型经过20余年的发展现已成为当今天体物理理论研究中的一大 热点,并已在致密天体双星系统及活动星系核研究中得以广泛应 用。吸积盘内的粘滞过程会将吸积物质的引力能有效地转化为热能释放, 从而为这些致密天体系统提供了合理的能量辐射来源。其多色黑体 辐射谱能很好地解释黑洞X射线双星观测能谱的“软成分”和活 动星系核光学、紫外和软X射线波段连续谱的“大隆起”现象。而且吸积 盘内存在的各种不稳定性也被认为是导致这些系统里各种光变现象 的主要机制。因此,从大量的天文观测资料中我们可以借助现有的 物理理论了解到许多关于黑洞及其周围吸积物质的特性。

尽管黑洞神秘的面纱还未被完全揭开, 但可以预期, 随着天文 观测技术的不断提高和理论研究的进一步深入, 人类对黑洞的探索 必将取得巨大的进展. 黑洞,这一困扰我们的世纪之谜,也许在下 一世纪将不再是谜。