关于寻找黑洞存在的证据 [复制链接]

第7版(国际)
专栏：院士园地

　　关于寻找黑洞存在的证据
　　中国科学院院士 陈建生
　　作者简介：中国科学院北京天文台研究员，1938年7月生，福州市人，1963年毕业于北京大学，1991年当选中国科学院院士，现任中国科学院天文专家委员会主任，中科院—北京大学联合天体物理中心主任，美国Funda￣mentalofCosmicPhysics学报编委等学术职务。
　　什么是黑洞？黑洞如何产生？黑洞有什么重要性质？是否已找到黑洞存在的证据？这些是公众所关心的问题，特别是寻找黑洞证据问题，去年以来成为国内外媒体热烈谈论的问题之一。
　　黑洞是爱因斯坦广义相对论（本质上是引力理论）预言的一种物质状态。我们知道物质可以气体、液体或固体的状态存在。黑洞是一种很特殊的物质状态，每一个质量为M的物质都对应有一个称为史瓦西半径rc，它的大小为rc＝2GM／C2（严格地说，这是指没有自转的物质），这里的G是引力常数，G＝6．67×10－8厘米3／克·秒2，是一个很小的数，C是光速2．997×1010厘米／秒，是一个很大的数，因而rc对于一般物体是很小很小的。如果有一种物理过程能够把质量M全部压到史瓦西半径，物质就达到黑洞的状态。黑洞有许多奇特的性质，其中最重要的就是任何物质（包括光）都无法从黑洞中逃逸出去，只能在引力的作用下，不断向黑洞的中心（奇点）下落，进入黑洞的物质，失去原来的本性，只剩下质量，电荷和角动量。黑洞的“半径”（也称为视界，因为进入黑洞视界内，就出了观测者的视界，永远观测不到）和黑洞的质量成正比，质量越大，黑洞的“半径”也越大，太阳质量所对应的黑洞的“半径”约为1公里，而太阳的半径约106公里，如果把太阳变成黑洞，其密度将达到每立方厘米1018克。
　　人们会认为黑洞就是密度无比巨大的物质，这种说法是不准确的，由于黑洞的“半径”与黑洞的质量成正比，密度又与半径的三次方成反比，因此黑洞的密度就与黑洞的质量的平方成反比，当黑洞质量增加时，密度就以反平方律迅速减小。银河系由大约1011个太阳组成，如果这样大质量的天体能够坍缩到它的史瓦西半径，就成了巨质量黑洞，它的密度仅是水的密度的万分之一。尽管密度如此之小，物质一旦掉进黑洞，也仍然无法逃离出去，作为另一个极端，原子级黑洞，即把原子质量全部压缩到它的史瓦西半径内，密度就可高达每立方厘米10127克。
　　理论所预言的黑洞能否存在必须回答两个基本问题，其一，作为理论基础的广义相对论是否正确尚未受到决定性的验证；其二，是否存在物理过程，可以把物质压缩到史瓦西半径？因为物质被压缩过程，引力能会转化为热能，使温度升高，反过来产生排斥力阻止物质进一步的收缩。由于以上两个问题，特别是第二个问题，致使30年代就提出的黑洞预言，并未引起科学界的广泛关注。
　　60年代以来，对黑洞兴趣的重新唤起，来自于天体物理一系列重大成就，首先是恒星演化晚期理论的发展，提供了恒星级天体可能通过超新星爆发坍缩成黑洞的物理过程：即超新星爆发把恒星的外壳抛到星际空间，形成超新星遗迹，如蟹状星云就是我国宋朝1054年所发现的超新星爆发后的遗迹，而恒星的内壳则坍缩成密度非常高的致密天体，依照开始坍缩时的质量的大小，依次坍缩成白矮星、中子星（质量大于1．4个太阳质量）或黑洞（质量大于3个太阳质量）；1967年发现的射电脉冲星，被证实是理论预言的中子星，尤其是蟹状星云的中心所找到的中子星被看成是恒星晚期演化理论的重大胜利，从而激发了人们去寻找黑洞的热情。
　　寻找黑洞遇到原则性的困难，既然光无法从黑洞逃逸出去，天文望远镜也就无法直接探测来自黑洞的电磁辐射，怎么办？迄今为止天文上还只能用间接办法在致密天体中去寻找质量大于3个太阳质量的天体作为黑洞的候选者，但到哪里去找致密天体？又如何知道它的质量呢？
　　70年代以来利用天文卫星，发现了一批有很强X—射线辐射的双星系统，为寻找致密天体中恒星级黑洞候选者铺平了道路。因为这样强的X—射线辐射只能来自致密星吸积它的伴星物质，在致密星非常强的引力场作用下，被吸积的物质的引力能转化为辐射能，并在X—射线波段发射出去。另一方面观测X—射线双星系统轨道运动的种种效应，又可以准确地确定每个子星的质量，果然在这一类天体中找到了一些质量超过3个太阳质量的致密天体，比如天鹅座的X—1源，就是这样一个黑洞的候选天体。
　　寻找星系级大质量黑洞的工作也有了相当进展：首先，1963年天文上发现了一种奇特的天体，称为类星体，今天我们已知道，它是离我们最遥远的天体，约在几十亿至100多亿光年，它们看上去像个恒星，但发出的能量可以比整个星系（约由1000亿个太阳组成）还要亮数百倍到数万倍，它的能量来源一直是一个谜，近年来一种颇被接受的理论是，在它的核心有一个质量约为1亿个太阳的黑洞，吸积周围的物质，将引力能转化为辐射能来解释观测到的类星体的光度。耗资30亿美元的哈勃空间望远镜确实在河外星系M81的核心很小的区域内观测到巨大质量的核，被认为是星系级黑洞存在的有力的间接证据。据报道，今年1月在印度的加尔各答举行了一次题为“宇宙中黑洞的观测证据”的国际研讨会，会议结果表明，现有关于寻找黑洞的证据都是间接的、阶段性的，迄今还没有找到任何直接证据。
　　面对所取得的进步，大多数天文学家越来越相信黑洞的存在，同样，大多数天文学家认为，以目前的观测结果，还只能肯定已经找到黑洞的候选者。因为黑洞的本质是存在视界，如何观测到黑洞的视界，是一个理论与观测均未解决的问题，彻底解决这个问题，还有相当长的路要走。（附图片）