从恒星到黑洞
1767年，丹麦天文学家罗麦首次证明了光速是有限的这一事实，为100多年后预言黑洞的存在创造了条件。否则，人们是无法理解引力场将对光粒子产生影响这一效应的。
一般认为，英国的约翰·米歇尔是最早对黑洞的存在做出预言的人。
他于1783年发表文章指出，一个有足够大质量和密度的恒星，同时也拥有强大的引力场，甚至从恒星表面发出的光线也会被这个引力场吸引回来。15年后，法国天文学家拉普拉斯也独立地提出了类似的观点：“一个密度如地球，而直径为250个太阳的发光恒星，由于引力作用，将不允许它的任何光线到达我们这儿。由于这个原因，宇宙中最大的发光天体也许不会被我们看见。”
其实，理解这种现象并不困难。我们从地面向上抛出一个石头，由于重力的作用，它最终会落下来。然而，如果这块石头的初速度达到或超过了地球的脱离速度(每秒11.2千米)， 就会摆脱地球的引力进入行星空间成为一个人造天体。这一速度来自公式
V=，其中，G是引力常数，为6.672 59×10-11m3／(kg·s2)，M是天体的质量，R是天体的半径。太阳的质量为1.989×1033克，半径为6.962×108米，根据这一公式可以计算出太阳表面的脱离速度大概是每秒617千米。这远远小于光速C，所以光线能轻而易举地克服太阳的引力场，我们也因而能够看到灿烂的阳光。如果当脱离速度V等于光速C时，上一公式就变成：
Rg=2GM／C2。Rg被称为天体的引力半径，也就是说一个质量为M的天体，半径如果小于Rg，它的脱离速度就大于光速，因此天体发出的光就不会逃出它的引力场，那么这个天体就成了“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观规律就是有生必有死，恒星也不例外。然而，并不像有人认为的那样，所有的恒星都将演化成为黑洞。事实上，恒星是否会坍缩成为黑洞，与其自身的质量有着很大的关系。
以太阳为例。太阳是一颗极其普通的恒星，已经存在了50亿年左右，可以说正处在它的青壮年时期，也就是“赫罗图”中的主星序阶段。在这一阶段，它的能量主要来自中心区域发生的氢聚变热核反应——四个氢原子聚合成一个氦原子。而一个氦原子的质量小于四个氢原子的质量之和，其余的质量则按照爱因斯坦著名的质能关系式E=cm2转换成了能量。
根据公式，仅1克氢聚变成为氦就会释放出大约6×1018尔格的能量。因此，太阳在这种反应过程中释放出了巨大的能量，它们能够与自身的引力达到平衡，由此维持着一个相对稳定得多的状态，这也是生命出现和发展的基础。
直到五六十亿年后，中心区域的氢燃料消耗殆尽，热核反应停止。那时，由于辐射压力的减弱，太阳内部的中心核在引力作用下开始收缩。在达到极高的压力和温度时，核心的氦开始了聚变成碳的反应，同时引燃外部的氢壳进行燃烧，从而产生了更强大的能量。太阳的外层大气在新的辐射压力的作用下向外膨胀，最终将到达地球现在的公转轨道附近(由于太阳质量的减少，那时的地球轨道已经向外延伸了)。尽管地球的表面将被熔化得面目全非，但终究可以幸免于难，而水星和金星这两颗内行星却没有这么幸运：它们将被不断膨胀的太阳吞没并被气化掉。这就是太阳的衰老期，即红巨星阶段。
在距今大约70亿年的时候，氦燃料也消耗尽了，太阳核心将再次收缩，最后依靠电子间的排斥力(泡利不相容原理)与引力达到平衡。此时，太阳庞大的外壳已经脱落，形成行星状星云，其核心收缩成大小与一颗行星差不多，而密度达到每立方厘米几十吨的白矮星。这时的太阳内部已经没有强作用的热核反应了，只是依靠剩余的燃料发光。因为其质量已经不到现在的一半，所以地球与它的距离也比现在远得多了。这颗白矮星
的视直径只有9角秒，比今天从地球上看金星或者木星还要小，亮度也降到现在的1％左右。如此下去，又经过几十亿年，随着太阳内部残余的热能都消耗殆尽，它的亮度将越来越暗，最终变成看不见的黑矮星，结束了它轰轰烈烈、功不可没的一生。
宇宙中还存在着许多质量比太阳要大得多的恒星，以至于有些恒星在演化成白矮星的过程中，电子间的排斥力无法对抗自身强大的引力。在这种情况下会出现什么后果呢?
1928年，印度研究生萨拉玛尼安·强德拉塞卡在去英国的途中计算出，如果恒星的质量超过太阳质量的1.4倍，白矮星状态将不会形成。前苏联的列夫·兰道在1930年也独立做出了类似的计算。这类恒星的核心在进一步坍缩时，释放出的大量的引力能会以中微子的形式加热恒星外壳，并使之发生强烈的爆炸，这是目前已知的在恒星世界中最激烈的爆发现象——超新星爆发。而恒星核将处于稳定状态，也就是在中子和质子之间的排斥力的支持下稳定下来，这就是中子星。位于金牛座ζ星西北处的蟹状星云，就是一个超新星爆发的遗迹。这次爆发在公元1054年被宋代的天文官观测到并记录了下来，这也是世界上最早的有关超新星爆发的记录。中子星的直径更小，只有几十千米，但它的密度却惊人得高，每立方厘米几千万吨，这在当时确实有些令人难以置信。
1967年8月，英国剑桥大学的一位女研究生约瑟林·贝尔发现了来自狐狸座的一种周期稳定的射电脉冲。她的导师安东尼·赫维斯却不相信这会是地外现象，只认为是来自地球大气层内的一种干扰。在随后的几个月里，脉冲信号被贝尔多次记录下来，并且证实发出信号的天体距离太阳系非常遥远。在这种情况下，赫维斯才开始重视贝尔的发现。起初，他们以为这是另一种智慧生命发来的联系信号，他们把这些“外星生物”称为“LGM”，即“小绿人”。到1968年初，通过观测和对以前记录的检查，又发现了三个类似的射电源。难道宇宙中竟然有几个外星文明如此巧合地用同一种方式与我们进行联络吗？最后，事情变得清楚了，他们意识到这是一种从来没有被人发现过的新型天体——脉冲星。同年，美国天文学家戈尔德和其他几位天体物理学家得出结论，脉冲星是一种磁场很强、快速自转的中子星。这是证明中子星存在的最早的证据，同时也使那些相信黑洞存在的人增加了信心。毕竟，像中子星这样紧密的天体都可以形成，那么黑洞的存在也在情理之中了。
与白矮星类似，中子星的形成也有一个限制，它被称为蓝道—奥本海默—沃尔科夫极限，即2.5倍太阳质量。超过这一极限的恒星很多，有些已经达到了太阳质量的100倍。这样的恒星在抛出一部分物质后，其剩余的质量仍然很大，以至于没有任何力量可以阻止一个灾难性结果的发生：它会一直坍缩下去。当这颗恒星的半径收缩到小于引力半径Rg时，对于远处的观察者来说，它将从视线中消失，形成了一个黑洞。
虽然黑洞不会发出光线(如果考虑到量子效应，黑洞并不是黑的，它也像热体一样发出辐射)，人们仍然能够通过间接的测量手段确定它们的存在。如果在离黑洞足够近的距离内有一颗恒星，它们就会构成一个双星系统，彼此围绕着一个共同的引力中心转动。
强大的黑洞引力场会将周围的气体、尘埃以及可见伴星的表面物质吸引过去，以极高的速度按螺旋轨道落向黑洞。这个过程产生的高温达到了几百万摄氏度，并且会发射出强大的X射线，这就形成了X射线和红外线源。天文学家观测到了许多这样的系统，例如，天鹅X-1和大麦哲伦星云X-3就具有这些特征。从可见星的轨道变化可以计算出不可见伴星的质量，结果显示，它们的不可见伴星的质量太大了，看起来只能是黑洞。而A0620不同，它不仅有一颗伴星V616，而且自身被一个可观测到的物质圆盘包围着。通过对来自吸积盘和伴星的谱线测量，确定了吸积盘中心的天体质量已经超过太阳3．8倍，所以A0620也是一个很好的黑洞候选者。
从理论上说，黑洞的类型按照质量可以分为三种。一种是在宇宙开端时的高温、高压条件下形成的质量不大的“太初黑洞”。它们的半径相当于一个中子或质子，而质量大约近10亿吨。第二种是上面所说的由恒星坍缩形成的黑洞，也被称为“坍缩星”。因为在宇宙漫长的历史中已经有无数的大质量恒星耗尽了燃料，所以这种黑洞的数量应该是非常多的。还有一种是巨型黑洞，它的质量大得惊人，相当于太阳的几十万倍到上亿倍，目前还无法解释它的形成原理，但许多科学家都确信这种黑洞存在于一些星系和类星体的中心。有些证据表明，在银河系的中心就很可能有一个质量大约是太阳几十万倍的巨型黑洞。最近，天文学家在M82星系中又发现一个据说是新型黑洞的天体，它的X射线亮度比我们星系中任何一个X射线源都要亮100倍，距离地球1000万光年。
浩瀚宇宙，无尽苍穹，当我们仰望星空的时候，最容易想到的是自身的渺小和脆弱。从脉冲星联想到小绿人，从黑洞又联想到时间旅行，人类的视线和想象力一同在飞速地延伸，而视界之外的那些未知事物还在等待着我们去探索、去了解。
联系客服
