第19章 宇宙中真有黑洞吗
乌呼鲁卫星
1970年12月12日,美国宇航局在东非肯尼亚发射了一颗卫星,把它的第一台X射线空间望远镜送入地球轨道。那天正好是肯尼亚脱离英国,独立7周年的纪念日,为了庆祝东道主独立,美国宇航局把这颗卫星命名为乌呼鲁,在当地的斯瓦希里语里,这个词是自由的意思。“乌呼鲁”卫星一上天,就把自己的第一个观测目标锁定在了天鹅座X-1的身上。这个天体是天鹅座里一个明亮的X射线源,后来它又成为人类发现的第一个恒星级质量的黑洞。
如果把一团物质压缩到难以置信的高密度,就会形成一个黑洞。科学家认为,如果恒星的质量超过20倍太阳质量,它就会发生灾难性的坍缩,最终变成黑洞。经过一番痛苦的垂死挣扎,星核被彻底压碎,只留下剧烈扭曲的时空,那里的引力场是如此的强大,一旦不慎落入其中,就别想再全身而退了,连光也不例外。科学家为黑洞定义了一个球形边界——事件视界,这条分界线的一侧是黑洞的无限深渊,另一侧是浩渺的宇宙,如若跨越这个边界,踏入黑洞所在的那一侧,便是有去无回了。
持续不断的引力吸引
罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer)和他的学生哈特兰德·斯奈德(Hartland Snyder)曾用广义相对论说明,宇宙中可能存在着这样一种天体,它的引力极其强大,连光都无法挣脱它的引力束缚。他们把这个惊人的结论写进了一篇论文,论文的题目是《论持续不断的引力吸引》。1939年9月1日,他们把这篇论文提交给《物理评论》期刊,就在同一天,德国大举入侵波兰,第二次世界大战爆发。3年后,奥本海默被任命为“曼哈顿计划”的负责人,在美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)秘密武器实验室,带领美国科学家研制出了世界上第一批核武器。不过,宇宙中真有这样奇怪的天体吗?人们质疑了近30年。
1967年,理论物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)最先把这种天体称为黑洞。
2005年,由约翰·亚当斯(John Adams)创作、彼得·塞拉斯(Peter Sellars)编导的歌剧《原子博士》首次上演,剧情以1945年在洛斯阿拉莫斯筹备代号“三位一体”的第一次原子弹试爆为主线,奥本海默正是剧中的同名男主角(见图19-1)。
天鹅座X-1
在40多年的时间里,天文学家先后使用工作在射电、可见光、X射线等各波段的望远镜,对天鹅座X-1展开研究。根据美国国家射电天文台甚长基线射电望远镜阵(Very Long Baseline Array)最近的测量结果,天鹅座X-1与我们的距离是6070光年。有了这个数据,我们就能确定它的性质了。这个黑洞的质量可不小——14.8倍太阳质量,而且每秒钟能转800圈。
天文学家相信,天鹅座X-1本是一个双星系统,两名成员不过是普通的恒星,但它们的质量却非常大,而且质量较大的那颗恒星比同伴能更快地燃烧着自己的核燃料。大约在600万年前,这颗恒星终于把自己的核燃料全部用尽,核聚变反应熄火,它最终坍缩成了黑洞。它原本有几百万公里宽,在变成黑洞以后,就只有几千米宽了,尽管如此,它仍然拥有近15倍太阳质量的物质。黑洞与它的伴星依旧在引力的作用下互相绕转,但伴星的物质却慢慢地被黑洞吸了过去,这些物质在黑洞的周围形成吸积盘(见图19-2)。当盘里的物质落入黑洞时,它们会被加热到极高的温度,发出强烈的X射线,被“乌呼鲁”卫星最先探测到。
坠入无底深渊
长伽马射线暴可能就是由大质量恒星的引力坍缩产生的,比如天鹅座X-1的前身星。黑洞好似地狱的血盆大口,一旦掉进去就别再想出来了,但真要掉进去,恐怕也没那么容易。按宇宙标准来衡量,黑洞的个头非常小,天鹅座X-1的直径还不及它的前身星的百万分之一。把一颗胖胖的恒星挤压成如此小的球,也是十分困难的,所以黑洞就成了一个边吃边扔的邋遢怪兽。有不少如恒星般大小的物质,勉强逃过被黑洞吞噬的噩运,被从黑洞的两极甩了出去。这些物质受到挤压,密度比原子核还高,被集中成两束喷流,以接近光速的速度向外喷出,产生强烈的伽马射线。如果在宇宙的另一头,有一个文明恰好正对着这束喷流看过来,他们就会探测到伽马射线。
类星体
20世纪60年代,科学家又发现了一种类似恒星的新天体——类星体。这种天体虽然看上去和恒星一样,也呈点状,但它的光谱红移却超过了所有已知的天体,这说明它离我们非常遥远。相隔这么远,我们还能看到它,这也说明它释放出的能量大得惊人,把一个星系里所有的恒星放出来的能量全都加起来,也远不及它的能量大。在遥远星系的中心,如果发生了某种暴烈事件,就会产生我们看到的类星体。它比太阳还要明亮1万亿倍,但令人吃惊的还不止于此,类星体的亮度经常变来变去,有时短短几个小时,它的亮度就改变了,这提示我们,与星系的大小相比,类星体的活跃区域非常小,只有几光时[1] 宽,与整个太阳系差不多大。
类星体的巨大能量到底从何而来?20世纪60年代末,天体物理学家唐纳德·林登-贝尔(Donald Lyndon-Bell)提出,类星体的能量来源只有一种可能——当物质落入星系中心的黑洞时,就会释放出大量的能量。
除了类星体,任何天体都无法从如此小的区域里获得这么巨大的能量。
然而,要让类星体发出惊人的明亮光芒,黑洞的质量必须达到几百万甚至几十亿倍太阳质量,只有这样,它才能每年吞下数倍恒星质量的物质,释放出足够多的能量。天鹅座X-1里的那个恒星级质量的黑洞,已经给人留下了深刻的印象,如果林登-贝尔的解释是正确的,那它与星系中心的黑洞巨兽比起来,简直就是一个小小的婴儿了。在星系的中心,真的藏匿着一个如此大质量的黑洞吗?在下判断之前,我们最好先在周围找一找证据。在第20章里,我们就把搜寻的目光投向银河系的中心去看一看。
- 光时是一种长度单位,1光时等于光1小时在真空中走过的距离,1光时相当于1 079 252 848 800米。——译者注
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