最近熱映的電影《星際穿越》中，最震撼人心的莫過(guò)于科學(xué)家吉普·S·索恩指導(dǎo)制作的巨型黑洞模型。這是一個(gè)有著1億倍太陽(yáng)質(zhì)量的巨型黑洞，它能夠掀起附近小行星上的滔天巨浪，還能讓時(shí)間變慢，一個(gè)小時(shí)等于7年。

關(guān)于神秘的黑洞，人們有許多想象，它出現(xiàn)在很多科幻小說(shuō)乃至神話(huà)故事中，雖然人們一開(kāi)始不相信它的存在，但如今黑洞的地位已經(jīng)普遍受到認(rèn)可。

它是一個(gè)有邊界的無(wú)底洞，附近的任何東西都會(huì)掉進(jìn)去，連最快的光也沒(méi)法逃出來(lái)，它還能令時(shí)間和空間卷曲，核心是時(shí)空的終結(jié)。它還主導(dǎo)制造了宇宙中蔚為壯觀(guān)、明亮奪目的吸積盤(pán)與噴流，光華絕代。關(guān)于黑洞，還有很多謎題沒(méi)有解開(kāi)。

恒星的誕生與死亡

松散的星云塵埃在萬(wàn)有引力的牽引下，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的坍縮形成了恒星。超過(guò)3.2倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量恒星最終會(huì)成為黑洞

中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長(zhǎng)李淼介紹，黑洞是由大型恒星無(wú)法抵抗內(nèi)部的引力之后坍縮形成的。

最早，松散的星云塵埃在萬(wàn)有引力的牽引下，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的坍縮形成了恒星。然而在恒星漫長(zhǎng)的一生中，它都得與催生它的萬(wàn)有引力相抗?fàn)?，直至迎?lái)“最后的審判”。

年輕的恒星，其核心密度相對(duì)較小，通過(guò)降低整體引力勢(shì)能，產(chǎn)生與引力相抗衡的熱膨脹壓力場(chǎng)，便能制止進(jìn)一步的坍縮。這個(gè)過(guò)程中，恒星的核心溫度也將越來(lái)越高，直到達(dá)到1500萬(wàn)度熱核反應(yīng)所需要的臨界條件，恒星進(jìn)入了成年期。

成年的恒星，防止坍縮所利用的是來(lái)自于氫原子的聚變產(chǎn)生的巨大熱量。例如太陽(yáng)內(nèi)部每秒鐘有質(zhì)量為6億噸的氫經(jīng)過(guò)熱核聚變反應(yīng)為5.96億噸的氦，并釋放出相當(dāng)于400萬(wàn)噸氫的能量。太陽(yáng)燃燒自己的生命，并非只是為了帶給我們光和熱，更是為了防止其在自身引力下崩潰。

盡管熱核反應(yīng)消耗的氫與恒星整體含量比起來(lái)非常小，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，它的壽命幾乎無(wú)窮無(wú)盡，然而在宇宙學(xué)尺度上，幾十億甚至上千億年之后，恒星終將消耗完所有的氫，迎來(lái)自己的中年。而恒星質(zhì)量越大，坍縮趨勢(shì)越強(qiáng)，氫燃燒的速度也就越快。

氫燃燒殆盡后，氫核反應(yīng)也因此停止，恒星只剩下了氦核。這時(shí)，令外圍物質(zhì)向核心坍縮的萬(wàn)有引力沒(méi)有遇到抵抗，恒星又開(kāi)始了向內(nèi)收縮的過(guò)程。就像恒星誕生時(shí)的坍縮一樣，此時(shí)恒星的坍縮也會(huì)使得內(nèi)部的溫度繼續(xù)升高。

接下來(lái)，不同質(zhì)量的恒星將會(huì)有不同的生命歷程。

恒星的質(zhì)量若足夠大，向內(nèi)坍縮時(shí)內(nèi)部的溫度可以達(dá)到上億度。在這樣一個(gè)更高的數(shù)量級(jí)上，恒星內(nèi)部的氦核開(kāi)始了氦聚變，這種更高等級(jí)的聚變比起恒星青年時(shí)期的氫聚變更加耀眼，恒星燃燒氦的速度比燃燒氫要快上十幾倍。高度積熱的核心會(huì)向外噴射物質(zhì)，造成恒星大幅膨脹，達(dá)到它青年階段的數(shù)百倍大小，成為紅巨星。

但也有一部分恒星的質(zhì)量比較小，在這一階段的坍縮中，不足以產(chǎn)生氦聚變。它們逐漸收縮變得致密，在熱量逐漸揮發(fā)掉后，就會(huì)冷卻下來(lái)變成白矮星。

印度裔美國(guó)天文學(xué)家錢(qián)德拉塞卡指出，質(zhì)量小于太陽(yáng)1.44倍的恒星將會(huì)演化為白矮星，大于這個(gè)上限的恒星將經(jīng)過(guò)超新星爆發(fā)，變成中子星或黑洞。

后來(lái)的科學(xué)家證明，錢(qián)德拉塞卡是正確的，白矮星1.44倍于太陽(yáng)質(zhì)量的質(zhì)量上限因此被稱(chēng)為錢(qián)德拉塞卡極限。恒星質(zhì)量大于太陽(yáng)1.44倍時(shí)，由于內(nèi)部引力更加巨大，它會(huì)繼續(xù)收縮，原子和原子核均被擠碎，帶正電的質(zhì)子與帶負(fù)電的電子在強(qiáng)大引力作用下被結(jié)合成中性的中子，龐大星體收縮成為體積極小、質(zhì)量和密度極大的中子星。

1939年，美國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W本海默提出，形成中子星的恒星也有一個(gè)質(zhì)量上限，為3.2倍太陽(yáng)質(zhì)量，中子星的這個(gè)質(zhì)量上限被稱(chēng)為奧本海默極限。

超過(guò)3.2倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量恒星的結(jié)局則是黑洞。20世紀(jì)50年代，美國(guó)天文學(xué)家史瓦西認(rèn)為，當(dāng)超大質(zhì)量的恒星的核心引力強(qiáng)到連中子也會(huì)被壓碎，使光都不能外逸時(shí)，就會(huì)成為黑洞。

光不能逸出的這個(gè)邊界就是黑洞的視界，通常意義上說(shuō)的黑洞“大小”也就是指視界的周長(zhǎng)，視界的大小與黑洞的質(zhì)量成正比。1965年，距離地球約6000光年的天鵝座X-1雙星系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中的一顆致密星體被認(rèn)為是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一顆黑洞。

無(wú)法逃脫的引力

在黑洞的核心，數(shù)倍于太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)緊縮在被稱(chēng)為“奇點(diǎn)”的空間里，沒(méi)有任何東西能逃脫奇點(diǎn)強(qiáng)大的引力

黑洞的形成宣告了引力的勝利。但引力稱(chēng)霸之后并沒(méi)有就此罷休，反而更加興風(fēng)作浪。

沒(méi)有人真的能夠突破視界的阻隔觀(guān)察到黑洞的內(nèi)部是怎樣的，宇宙中就好像存在著一位“監(jiān)督者”，它禁止觀(guān)察者知曉黑洞內(nèi)部的秘密。在黑洞的核心，數(shù)倍于太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)緊縮在比原子核還要小一萬(wàn)億億倍的空間里，這個(gè)小小的空間被稱(chēng)為奇點(diǎn)，沒(méi)有任何東西能逃脫奇點(diǎn)強(qiáng)大的引力。

如果你駕駛一艘飛船飛向一個(gè)黑洞，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地就可以看到，氣體和塵埃從四面八方流入黑洞中，原子氣體在進(jìn)入黑洞視界之前，速度越來(lái)越快，發(fā)出越來(lái)越強(qiáng)的輻射，從紅外線(xiàn)到可見(jiàn)光到紫外線(xiàn)到X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)。進(jìn)入視界后，它們的速度和輻射會(huì)更強(qiáng)，但再也無(wú)法逃脫視界的束縛。

李淼介紹，黑洞極大的引力扭曲了周?chē)臅r(shí)間和空間，這種扭曲在奇點(diǎn)達(dá)到最高?？梢哉f(shuō)，奇點(diǎn)內(nèi)是空間與時(shí)間的終點(diǎn)。

因?yàn)闀r(shí)空受到巨大引力的扭曲，黑洞附近的時(shí)間流動(dòng)得非常緩慢，產(chǎn)生的時(shí)間膨脹效應(yīng)非常明顯，就像《星際穿越》中，大黑洞附近米勒行星上的1小時(shí)等于正常時(shí)間的7年。

雖然黑洞背后的星光好像被遮擋住了，但黑洞的引力場(chǎng)像一面透鏡，恒星和星系的光偏轉(zhuǎn)繞過(guò)黑洞視界的邊緣，在黑洞圓盤(pán)邊緣又被聚焦成一條明亮的細(xì)環(huán)。每一顆朦朧的恒星在環(huán)上都有好幾個(gè)像，這幾個(gè)像分別是從不同方向繞過(guò)來(lái)的恒星的光。

當(dāng)你越來(lái)越靠近黑洞時(shí)，再抬頭看天上的星空，會(huì)發(fā)現(xiàn)星空被濃縮進(jìn)了一個(gè)圓盤(pán)，四周都是純粹的黑暗，這種感覺(jué)就好像是走進(jìn)了一個(gè)洞穴，或者進(jìn)入了井底往外看。這是因?yàn)楹诙磸?qiáng)烈的透鏡作用，本來(lái)位于水平方向的星體發(fā)出的光線(xiàn)，受到黑洞引力的強(qiáng)烈影響，偏折到了幾乎垂直的位置，所以你能從頭頂上看到它。

若投放一個(gè)機(jī)器人飛向視界去近距離觀(guān)察同時(shí)發(fā)回信號(hào)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，越靠近黑洞視界時(shí)，機(jī)器人飛向黑洞的速度越快，在臨界處，它發(fā)回的信號(hào)波長(zhǎng)越來(lái)越長(zhǎng)，到最后信號(hào)飛快地掠過(guò)電磁頻譜，然后消失——機(jī)器人進(jìn)入視界，再也沒(méi)有任何信號(hào)能夠發(fā)送出來(lái)。

而在奇點(diǎn)附近，潮汐力也變得十分活躍，它一會(huì)兒拉伸一會(huì)兒壓縮，落入的物質(zhì)連每個(gè)原子都會(huì)被扭曲破碎到不能識(shí)別。

《星際穿越》中，馬修·麥康納飾演的宇航員庫(kù)珀進(jìn)入了黑洞的視界中，但他卻沒(méi)有被撕碎，這有可能嗎？李淼指出，實(shí)際上，如果不考慮黑洞附近足以殺死任何生物的高強(qiáng)度星際粒子，只考慮黑洞的潮汐力的話(huà)，這完全有可能的，只要這個(gè)黑洞足夠大。

根據(jù)廣義相對(duì)論，黑洞質(zhì)量越大，視界外和視界上的潮汐力反而越弱。如果質(zhì)量大10萬(wàn)倍，潮汐力將會(huì)弱100億倍。這就意味著，如果黑洞足夠大，比如達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的十萬(wàn)億倍，宇航員甚至可以到達(dá)奇點(diǎn)附近仍然存活，雖然下一秒鐘他就會(huì)被立即撕碎。

這也是為什么在《星際穿越》中，質(zhì)量為太陽(yáng)1億倍的黑洞卡岡圖雅沒(méi)有把附近的小行星米勒撕碎的原因。

旋轉(zhuǎn)的“無(wú)毛怪物”

黑洞旋轉(zhuǎn)速度最高可以接近光速。旋轉(zhuǎn)的黑洞會(huì)帶起時(shí)間和空間的扭曲，在時(shí)空中卷起龍卷風(fēng)一樣的渦旋

“黑洞是宇宙中最簡(jiǎn)單和最漂亮的物體?！北M管黑洞引力的威力超乎想象，我國(guó)著名的天體物理學(xué)家王永久卻用如此溫情的語(yǔ)言來(lái)描述它。這是因?yàn)楹诙此械男再|(zhì)，如磁場(chǎng)、磁矩、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等性質(zhì)在形成黑洞時(shí)都已全部被抹除，只剩下質(zhì)量、電荷以及角動(dòng)量三個(gè)參數(shù)。

黑洞這種簡(jiǎn)單又深邃的特質(zhì)被生動(dòng)地稱(chēng)為“黑洞無(wú)毛”，這句由美國(guó)物理學(xué)家惠勒提出來(lái)的短語(yǔ)頗具玩笑意味，但卻已經(jīng)是正經(jīng)的術(shù)語(yǔ)，可以簡(jiǎn)單理解為：黑洞吞沒(méi)了自己所有的過(guò)去，人們不能靠測(cè)量黑洞最后呈現(xiàn)的性質(zhì)來(lái)推斷出它“前身”恒星的特征。

雖然僅剩三根“毛”，但黑洞卻有著令人嘆為觀(guān)止的美麗性質(zhì)。通過(guò)對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可以得出視界的形狀、引力作用的強(qiáng)度、偏轉(zhuǎn)星光的能力、周?chē)鷷r(shí)空渦旋的細(xì)節(jié)和脈動(dòng)的頻率。

黑洞模型有4個(gè)基本形式：史瓦西黑洞，即無(wú)電荷、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)的球?qū)ΨQ(chēng)黑洞；雷斯勒—諾斯特諾姆黑洞，即有電荷、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)的球?qū)ΨQ(chēng)黑洞；無(wú)電荷、有轉(zhuǎn)動(dòng)的科爾黑洞；有電荷、有轉(zhuǎn)動(dòng)的科爾—紐曼黑洞。

李淼說(shuō)，這三個(gè)參數(shù)中，電荷一般可以忽略不計(jì)，這是因?yàn)楹诙唇^大多數(shù)都不帶電。

角動(dòng)量則最為迷人。黑洞并不是靜悄悄的無(wú)底洞，它會(huì)旋轉(zhuǎn)。角動(dòng)量越大，意味著黑洞旋轉(zhuǎn)的速度越快，最高甚至可以接近光速。旋轉(zhuǎn)的黑洞會(huì)帶起時(shí)間和空間的扭曲，在時(shí)空中卷起龍卷風(fēng)一樣的渦旋。

黑洞的旋轉(zhuǎn)除了使時(shí)空產(chǎn)生渦旋，還會(huì)使視界變形。不旋轉(zhuǎn)的黑洞視界是完美的球形，而旋轉(zhuǎn)的黑洞會(huì)像地球一樣，赤道相對(duì)于兩極會(huì)凸出來(lái)，而且旋轉(zhuǎn)速度越快，這種凸起就越明顯。

旋轉(zhuǎn)的黑洞吞噬其他星體時(shí)產(chǎn)生的吸積盤(pán)是宇宙中最為壯麗的景觀(guān)之一。天文學(xué)家林登·貝爾提出，被黑洞引力所吸引的物質(zhì)粒子流碰撞后結(jié)合在一起，在離心力的作用下圍繞著黑洞螺旋式下落，在旋轉(zhuǎn)中形成一個(gè)盤(pán)狀物，就像是光華燦爛的星環(huán)。在吸積盤(pán)中，相鄰粒子會(huì)相互摩擦，強(qiáng)烈的摩擦讓吸積盤(pán)溫度變得非常高，發(fā)出明亮的光芒，還能輻射強(qiáng)烈的X射線(xiàn)。

當(dāng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞正在一點(diǎn)點(diǎn)地吞食附近的巨大恒星時(shí)，場(chǎng)面變得更加瑰麗壯闊。被吞食的恒星通常是與黑洞組成雙星系統(tǒng)的伴星，看起來(lái)就像是恒星流淌出了一條巨大的物質(zhì)噴流，被牽引向黑洞，噴流在黑洞附近的空間渦旋里螺旋狀落下，匯入吸積盤(pán)，直到最后注入黑洞的核心。

而當(dāng)恒星、行星或小黑洞落進(jìn)大黑洞時(shí)，能量讓大黑洞產(chǎn)生脈動(dòng)，視界也會(huì)內(nèi)外波動(dòng)，這種脈動(dòng)產(chǎn)生了引力波，在宇宙空間向外傳播，就像鈴鐺被敲響一樣，傳送著宇宙一隅的壯美樂(lè)章。

1969年，英國(guó)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)的黑洞在周?chē)臻g漩渦里藏著旋轉(zhuǎn)能，因?yàn)殇鰷u和它的能量都在黑洞視界之外，這種能量可以作為能源使用。這項(xiàng)了不起的發(fā)現(xiàn)刷新了人們的認(rèn)識(shí)。

黑洞的旋轉(zhuǎn)能非常巨大，如果黑洞高速旋轉(zhuǎn)，它貯藏和釋放能量的效率將比太陽(yáng)所存的核燃料還要高48倍。彭羅斯甚至還計(jì)算出，如果有能力提取一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的黑洞的所有旋轉(zhuǎn)能，人們可以得到相當(dāng)于29%的黑洞質(zhì)量的可用能量。

宇宙六大極端黑洞

最大的黑洞

宇宙中已知質(zhì)量最大的黑洞相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的180億倍，這個(gè)龐然大物位于OJ 287類(lèi)星體

最快的黑洞

迄今發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度最快的黑洞名為GRS 1915+105，以每秒1000圈的速度旋轉(zhuǎn)

最近的黑洞

已知距離地球最近的黑洞在2.4萬(wàn)光年以外，為V4641 Sagitarii的雙星系統(tǒng)成員

最遠(yuǎn)的黑洞

已知距離地球最遠(yuǎn)的黑洞位于600萬(wàn)光年遠(yuǎn)的NGC 300星系

最小的黑洞

宇宙中已知最輕、最小的黑洞XTE J1650-500僅相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的3.8倍

最年輕的黑洞

2010年11月，天文學(xué)家利用錢(qián)德拉X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)距離地球附近最年輕的黑洞，這個(gè)黑洞形成只有30年

巨型大黑洞與原生小黑洞

黑洞并不是宇宙孤僻怪異的孩子，相反，它一直在宇宙的演化、星系的形成中扮演著舉足輕重的角色，尤其是黑洞中的“超級(jí)航母”——巨型黑洞。

20世紀(jì)60年代，人們發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的天體，并非恒星也非星系更不是星云，距離地球非常遠(yuǎn)，可以達(dá)到100億光年，但卻穩(wěn)定地發(fā)出強(qiáng)烈的光芒，質(zhì)量比星系小幾百萬(wàn)倍，亮度卻能達(dá)到星系的成千上萬(wàn)倍，所以能被地球上的人類(lèi)觀(guān)測(cè)到。這種奇怪的天體被稱(chēng)為類(lèi)星體。

科學(xué)家們相信，類(lèi)星體的核心即是一個(gè)巨大的黑洞。巨黑洞就像一個(gè)超強(qiáng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，加熱了周?chē)e過(guò)來(lái)的大質(zhì)量氣狀天體，所以才能發(fā)出這樣強(qiáng)烈的光。這一吸積過(guò)程能夠?qū)⑽镔|(zhì)質(zhì)量以10%的比率轉(zhuǎn)為能量，是熱核聚變的20倍。

吸積過(guò)程通常伴隨著物質(zhì)的噴流。類(lèi)星體3C273中心就是一個(gè)巨黑洞，它的質(zhì)量約為太陽(yáng)的20億倍，兩極垂直于吸積盤(pán)的方向噴射出兩股燦爛的藍(lán)色噴流，成為了宇宙中最為光輝燦爛的場(chǎng)景之一。類(lèi)星體的噴流速度可以非常接近光速，可達(dá)數(shù)百萬(wàn)光年，并在如此大的尺度上保持準(zhǔn)直，在幾百萬(wàn)年內(nèi)保持噴射方向不變。

周?chē)愤^(guò)的恒星不斷被黑洞引力牽引過(guò)來(lái)，被潮汐力撕得粉碎，墜入黑洞的核心，但它們?cè)谶M(jìn)入視界前會(huì)噴射出巨量氣體，這些氣體成為類(lèi)星體發(fā)光的氣體吸積盤(pán)的補(bǔ)充。而類(lèi)星體噴射出的物質(zhì)也將可能形成恒星、行星乃至演化成一個(gè)完整星系。

巨型黑洞質(zhì)量有普通恒星的幾千乃至幾百萬(wàn)倍，因此不可能是某個(gè)恒星坍縮而成?？茖W(xué)家猜測(cè)，在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，因?yàn)橐Φ尿?qū)動(dòng)，很多恒星被驅(qū)趕到了核心，這些恒星總計(jì)有上億倍太陽(yáng)質(zhì)量。經(jīng)過(guò)引力的吞并，恒星集團(tuán)在中心合并形成了一個(gè)巨型黑洞。

黑洞家族里，不僅有巨型黑洞這樣跨越數(shù)個(gè)光月的大塊頭，也有僅有原子核大小尺度的小黑洞。而且，黑洞也有自己的壽命——它會(huì)慢慢縮小，直到消失。

什么？不是所有的物質(zhì)都無(wú)法逃脫黑洞的引力嗎？黑洞難道不是一直吸收物質(zhì)逐漸增大嗎，為什么還會(huì)縮?。?/p>

1974年，英國(guó)理論物理學(xué)家霍金根據(jù)量子場(chǎng)論提出了黑洞“蒸發(fā)”的理論。這個(gè)理論是說(shuō)，真空中不斷產(chǎn)生虛粒子對(duì)，在黑洞周?chē)?，虛粒子?duì)在湮滅前可能其中一個(gè)就會(huì)被吞進(jìn)黑洞，另一個(gè)則逃脫。逃脫的正能粒子帶走了能量，掉落的負(fù)能粒子量相當(dāng)于減少了黑洞的能量，從外觀(guān)看，就像是黑洞在輻射粒子。這就是黑洞蒸發(fā)現(xiàn)象，也被稱(chēng)為霍金輻射。

霍金輻射的理論表明，一個(gè)剛從星體的坍縮中形成的黑洞溫度很低，隨著黑洞的收縮和加熱，輻射會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，蒸發(fā)也會(huì)加快，最后當(dāng)黑洞質(zhì)量減少到僅有幾千到一億噸時(shí)，視界也會(huì)收縮到原子核大小的幾分之一，黑洞將達(dá)到極高的溫度，在幾分之一秒內(nèi)發(fā)生猛烈的爆炸。當(dāng)然，這一過(guò)程非常緩慢。

霍金等人的計(jì)算還表明，從宇宙大爆炸中出來(lái)的小物質(zhì)團(tuán)可以產(chǎn)生原生小黑洞。在極早期的宇宙中，相鄰的物質(zhì)會(huì)將這些小物質(zhì)團(tuán)擠壓成小黑洞。這些小黑洞的視界大概只有原子核的大小，重量為數(shù)億到數(shù)十億噸。自從誕生以來(lái)，這些小黑洞都在不斷地“蒸發(fā)”，到如今，可能有的原生小黑洞已經(jīng)蒸發(fā)完了，有的還在繼續(xù)蒸發(fā)中。這種尺度的蒸發(fā)，已然相當(dāng)可觀(guān)。

原文鏈接：http://epaper.southcn.com/nfdaily/html/2014-12/08/content_7377543.htm