黑洞
黑洞是廣義相對論預(yù)言的一種特殊的天體.其基本特征是有一個封閉的視界.任何東西,包括光在內(nèi),只要進(jìn)入視界以內(nèi)都會被吞噬掉.
黑洞的概念最早出現(xiàn)是1798年,當(dāng)時拉普拉斯根據(jù)牛頓力學(xué)計算出,一個直徑為太陽250倍而密度與地球一樣的天體,其引力足以捕獲其發(fā)出的光線而成為一個暗天體.1939年,奧本海默根據(jù)廣義相對論證明一個無壓球體在自身引力作用下能坍縮到引徑rg.rg=2GM/(c*c)當(dāng)天體的質(zhì)量M大于臨界質(zhì)量Mc時,引力坍塌后就不可能達(dá)到任何的穩(wěn)態(tài),只能形成黑洞.黑洞只有三個特征量分別是質(zhì)量M、角動量J和電荷Q.Q=0的黑洞為軸對稱的克爾黑洞,J=Q=0時的黑洞為球?qū)ΨQ的史瓦西黑洞.
1974年,霍金證明黑洞具有與其溫度相對應(yīng)的熱輻射,稱為黑洞的發(fā)射.黑洞的質(zhì)量越大,溫度越低,發(fā)射過程就越慢,反之亦然.
找尋黑洞是當(dāng)代天文學(xué)的一個重要課題.銀河系內(nèi)的恒星級黑洞候選者有天鵝座X-1等.另外天文學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)大星系的中心通常會隱匿著一個百萬太陽質(zhì)量以上的巨型黑洞.如在超巨星系M87的中心就很可能隱匿著質(zhì)量達(dá)30億個太陽的黑洞.而按照大爆炸學(xué)說,在宇宙形成早期可能會產(chǎn)生一些質(zhì)量為10的15次方克的小黑洞.
“黑洞”很容易讓人望文生義地想象成一個“大黑窟窿”,其實不然.所謂“黑洞”,就是這樣一種天體：它的引力場是如此之強,就連光也不能逃脫出來.
根據(jù)廣義相對論,引力場將使時空彎曲.當(dāng)恒星的體積很大時,它的引力場對時空幾乎沒什么影響,從恒星表面上某一點發(fā)的光可以朝任何方向沿直線射出.而恒星的半徑越小,它對周圍的時空彎曲作用就越大,朝某些角度發(fā)出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面.
等恒星的半徑小到一特定值（天文學(xué)上叫“史瓦西半徑”）時,就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了.到這時,恒星就變成了黑洞.說它“黑”,是指它就像宇宙中的無底洞,任何物質(zhì)一旦掉進(jìn)去,“似乎”就再不能逃出.實際上黑洞真正是“隱形”的,等一會兒我們會講到.
那么,黑洞是怎樣形成的呢?其實,跟白矮星和中子星一樣,黑洞很可能也是由恒星演化而來的.
我們曾經(jīng)比較詳細(xì)地介紹了白矮星和中子星形成的過程.當(dāng)一顆恒星衰老時,它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料（氫）,由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了.這樣,它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量.所以在外殼的重壓之下,核心開始坍縮,直到最后形成體積小、密度大的星體,重新有能力與壓力平衡.
質(zhì)量小一些的恒星主要演化成白矮星,質(zhì)量比較大的恒星則有可能形成中子星.而根據(jù)科學(xué)家的計算,中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽的質(zhì)量.如果超過了這個值,那么將再沒有什么力能與自身重力相抗衡了,從而引發(fā)另一次大坍縮.
這次,根據(jù)科學(xué)家的猜想,物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點進(jìn)軍,直至成為一個體積趨于零、密度趨向無限大的“點”.而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(史瓦西半徑),正象我們上面介紹的那樣,巨大的引力就使得即使光也無法向外射出,從而切斷了恒星與外界的一切聯(lián)系——“黑洞”誕生了.
與別的天體相比,黑洞是顯得太特殊了.例如,黑洞有“隱身術(shù)”,人們無法直接觀察到它,連科學(xué)家都只能對它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想.那么,黑洞是怎么把自己隱藏起來的呢?答案就是——彎曲的空間.我們都知道,光是沿直線傳播的.這是一個最基本的常識.可是根據(jù)廣義相對論,空間會在引力場作用下彎曲.這時候,光雖然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播,但走的已經(jīng)不是直線,而是曲線.形象地講,好像光本來是要走直線的,只不過強大的引力把它拉得偏離了原來的方向.
在地球上,由于引力場作用很小,這種彎曲是微乎其微的.而在黑洞周圍,空間的這種變形非常大.這樣,即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光,雖然有一部分會落入黑洞中消失,可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達(dá)地球.所以,我們可以毫不費力地觀察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一樣,這就是黑洞的隱身術(shù).
更有趣的是,有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球,它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達(dá)地球.這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”,還同時看到它的側(cè)面、甚至后背!