聽說，由全球200多名科學家組成的研究團隊，在過去2年的時間裏通過世界各地的天文望遠鏡收集並整合了黑洞圖像的數據，將於北京時間4月10日晚上九點整召開全球新聞發佈會，公開人類天文史上的首張黑洞照片。

　　“黑洞”究竟是神馬？

　　常聽媒體提到“黑洞”。黑洞這個名稱按照字面意思是“黑色洞窟”。大多數情況下，在談到這種天體時都將它視爲一種真實的存在。雖然根據理論和某些觀測事實已經認定確實存在着這種天體，但是迄今爲止並沒有直接觀測到過黑洞。那麼，科學家憑什麼會認爲“確實存在着黑洞”呢？

　　事實上，黑洞不過是使用排除法篩除掉其他天體的可能性之後而“只得認定其存在”的一種天體。

　　18世紀末被預言有可能存在的一種“隱藏的天體”

　　黑洞本來是理論所預言的一種天體。關於引力的兩個理論——牛頓的萬有引力定律和愛因斯坦的廣義相對論——各自都通過推理得到了這樣的“計算結果”。

　　先是18世紀末的科學家根據牛頓的萬有引力定律設想過一種“連光也無法從那裏脫逃的天體”。換句話說，他們設想的是一種絕不會向外釋放光的天體。那其實就是最早的黑洞概念。

　　位於一個天體表面的物體，天體的密度（質量÷體積）越大，物體受到該天體的引力（在地球表面，這就是常說的“重力”）就越大。這就是說，天體的質量越大，體積越小，在它表面上的物體受到的引力就越大。發射火箭就利用了這個原理。位於一個天體表面的物體（例如火箭），只要速度足夠大，它就能夠克服引力脫離該天體，逃向宇宙空間。按照這樣的思路，同樣體積的天體如果質量非常大，或者同樣質量的天體如果體積非常小，它的引力就會變得非常大，有可能大到即使具有光的速度也無法從該天體脫逃出去。

　　1916年，相對論也預言有“隱藏的天體”

　　後來，有科學家根據廣義相對論的基本方程愛因斯坦方程進行計算，也作出了有可能存在着這種“隱藏的天體”的預言。愛因斯坦在1915～1916年完成的廣義相對論是比牛頓的萬有引力定律更加精確和正確的一種引力理論。

　　上述預言是德國的一位叫做卡爾?施瓦西（1873～1916）的數學家在求解愛因斯坦方程時得到的一個解。他所得到的這個解的物理意義如下：“當質量集中在一個非常小的區域時，時空彎曲會達到極限，變成一個連光也不可能逃逸出去的區域”。例如計算表明，如果擠壓太陽使之發生坍縮，最終就會形成一個半徑只有約3公里的連光也不可能逃逸出去的區域。

　　而且施瓦西的計算結果還表明，在光也不能逃逸的那個區域的中心有一個點，那裏的引力和密度都爲“無窮大”。密度爲無窮大的狀態，簡直無法想象。事實上，在無窮大的點（奇點）上，所有的物理定律都不再成立。所以，當時的大多數科學家在相當一段時間都不認爲宇宙中會存在着具有奇點和其他奇特性質的這種黑洞。

　　質量非常大的恆星最終會變爲黑洞？

　　現在，不論天文學家還是物理學家都認爲質量非常大的恆星最終會演變爲黑洞。他們爲什麼會有這種看法呢？

　　關於恆星演化的理論認爲，像太陽這樣的恆星，依據質量的不同，到“晚年”有不同的命運，最終會演變爲一顆白矮星或者一顆中子星等。白矮星是質量和太陽差不太多的恆星的歸宿，不發光，體積只有地球大小，卻集中了同太陽質量差不多的質量。1931年，有人從理論上證明，白矮星的質量有一個上限，不可能有質量更大的白矮星存在。到1939年，通過理論分析又得到一個結論：體積比白矮星小而質量更大的中子星的質量也有一個上限，質量超過這個上限的恆星最終會演變爲一個黑洞。

　　發現了只能承認也許是黑洞的天體

　　20世紀60年代後期以後，陸續發現的一些天文觀測事實似乎表明現實的宇宙中也許真的有黑洞存在。換句話說，發現了許多看似普通的恆星，然而卻又難以把它們解釋爲是恆星的天體。

　　例如那些主要是發出強烈X射線的天體就是如此。X射線是肉眼看不見的一種光（電磁波），而科學家知道，高達數千萬度的高溫物體纔會發出大量X射線。普通恆星不會有如此高的溫度，因而很難認爲那些發出強烈X射線的天體會是普通恆星。不是恆星又會是別的什麼呢？於是只能認爲它們是黑洞。

　　很可能是黑洞的一個典型例子是“天鵝座X-1”。用可見光觀測，天鵝座X-1看起來像是一顆藍色恆星。其實，天鵝座X-1是由一對天體所形成的一個雙星系統，其中一個是藍色恆星，另一個則是發出強X射線，用可見光看不見的天體。這個發出X射線的天體，通過推算，它的質量至少要達到太陽質量的9倍左右，這不僅超過了白矮星的質量上限，也超過了中子星的質量上限。

　　不僅如此，天鵝座X-1發出的X射線還在短時間裏一會兒變強，一會兒變弱。根據X射線的這種強弱變化可以推算出發出射線的天體的大小的上限。推算結果是天鵝座X-1竟然非常小，大小不會超過數百公里。知道了天鵝座X-1是在一個非常小的區域集中了非常大的質量的天體，科學家才認定它多半是一個黑洞。

　　構建描述黑洞的模型

　　黑洞既然是連光也要吞噬的一種天體，它又如何能夠發出強烈輻射呢？原來，這是黑洞周圍的那些氣體所發出的光。說明這種發光機制的黑洞模型是在黑洞的周圍有一個“吸積盤”。

　　吸積盤是黑洞從附近的另一顆恆星（伴星）不斷吸來氣體而形成的一個圍繞着黑洞作快速旋轉的圓盤。在旋轉過程中，吸積盤內的氣體發生激烈摩擦，產生高溫而向外發光。如果黑洞將吸引過來氣體全都立即吞入，在它周圍就不會積留下多少氣體，因而不會發出太強的光。但是，如果形成一個圍繞着它快速旋轉的圓盤，吸引過來的氣體就會積留起來達到很高的密度，從而發出強光。

　　本來是作爲理論計算的一個結果的黑洞，正是通過以上分析才被看成有可能是現實存在的一種天體。那麼，如此神祕的黑洞究竟長什麼樣子？會和電影《星際穿越》中的經典畫面一樣嗎？今晚9點，讓我們拭目以待。

　　本文節選自《科學世界》2012年第8期

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