黑洞——宇宙中的怪兽

黑洞的概念是现代引力理论即爱因斯坦广义相对论最有趣和最令人惊奇的产物之一，这个概念也可以在牛顿基本原理的基础上加以理解。

黑洞是超大质量的恒星内部核聚变反应结束后，由于万有引力的作用，所有的物质都向内部核心坍缩而形成的密度极大，引力极强的天体。由于引力极其强大，黑洞会吞噬任何附近的其它天体，就连光线都不能逃脱掉它的吸引力。这也是它被称作黑洞的原因。那么它的形成机制和条件是什么？假设有人走近黑洞附近，会发生什么现象？让我们从黑洞的形成说起。

黑洞是宇宙中的怪兽

1 黑洞是由恒星演化而来

宇宙形成于大约138亿年前的一次大爆炸。最早的恒星可能出现在宇宙大爆炸之后的两亿年，在宇宙大爆炸之后的十亿到100亿年，陆续出现大量的恒星和由恒星组成的星系、星系团，形成我们今天看到的灿烂的宇宙景象！其中不乏有黑洞的存在。黑洞是由恒星演化而来，但不是所有的恒星都能演化为黑洞，只有大质量的恒星才能演化为黑洞。

宇宙早期恒星演化

恒星的演化过程十分复杂，但大体上可以分成四个阶段：（1） 形成阶段——恒星的婴幼时期。宇宙形成之初，广袤的宇宙空间弥散着密度很低、温度很低的气体——主要成分是氢气。氢气在万有引力的作用之下凝聚成星云，星云经过多次分裂和收缩形成致密的核，随着压力不断增大，核心区温度不断升高，当温度升高到可以发生氢核聚变时，一颗恒星就诞生了。

宇宙星云

（2）主序星阶段——恒星的青壮年时期。主要为氢核聚变阶段，核聚变产生的向外膨胀的压力和向内的引力相平衡，使恒星维持平稳状态。因为恒星演化过程中氢核聚变持续的时间最长（一般为几千万到100多亿年），所以主序星阶段在恒星的一生中占有绝大部分时间。不同的恒星其主序星阶段的时间不一样，质量越大，主序星阶段的时间越短，反之越长。

我们的太阳就处在主序星阶段，它主序的时间大约为100亿年，目前，它只有46亿岁，处在青壮年时期。太阳的质量是地球质量的3万亿倍【3.3×10ⁿ（n=13）】。表面温度达5500摄氏度，中心温度高达1500万摄氏度。如此高的温度不但没有固体和液体存在，就连原子都会被分解成质子、中子和电子，因此整个太阳就是一个巨大的等离子体。在发生热核聚变时，氢原子核变成氦原子核，同时释放出巨大的热能和光能，向太空辐射，照亮整个太阳系。

主序星

（3） 红巨星阶段——恒星的中老年期。恒星中心区的氢消耗殆尽形成由氦组成的核心之后，随着氦核的扩大，恒星处在不稳定状态，总的趋势以膨胀为主，体积增大，同时表面温度降低，但十分明亮，形成红巨星，质量大的恒星变成红超巨星。此阶段大约经历数百万年不等。和主序星阶段相比，非常短暂。

红巨星、红超巨星

（4）大质量恒星的死亡和超新星的爆发。 恒星核心的氢元素聚合成氦元素后，内部支撑力远小于引力，压力的方向指向核心，随着压力的增大，温度急剧升高，从氦元素开始进行一系列的聚核反应，依次生成锂、铍、硼、碳、氮等，直到铁元素为止，核聚变停止。此时恒星核心主要由铁元素组成，外层有残余的氢元素。由于核聚变停止，力的平衡再次被打破，恒星内部已没有能量和引力抗衡。在强大的引力作用下，铁核继续坍缩，并引起外层星体发生爆炸，向空中抛射物质。爆炸时产生的亮度可能达到太阳亮度的百亿倍，甚至能照亮整个银河系，这种爆发叫做超新星爆发。

超新星爆发时的情景

超新星爆发时，外层爆炸与核心坍塌同时进行。爆炸使得恒星外层物质向外抛洒，成为构造下一代恒星的原材料。坍塌作用使核心处的物质压缩得更加密实，形成一个高密度的天体。当这个高密度天体的质量低于钱德拉塞卡极限，即在电子简并态时，M小于1.44倍太阳质量，其密度达10吨/立方厘米，成为白矮星；当电子简并态不足以抵抗坍塌和大爆炸引起的高压，处在这种高压下的物质，电子都被挤压到原子核上，与质子结合成中子，形成中子简并态，质量不超过奥本海默极限，即1.44倍太阳质量＜M＜3.2倍太阳质量，其密度可达10亿吨/立方厘米，这就是中子星；当M＞3.2倍太阳质量时，中子简并态也不足以抵抗坍缩压力，坍缩继续进行，直到核心部分的物质密度无限大、引力无限大，引力大到连光线都逃脱不掉时，宣告黑洞诞生了。

中子星

2 史瓦西半径和事件视界

（1） 史瓦西半径 众所周知，牛顿力学定律在宏观低速领域内是适用的。根据万有引力定律，恒星太阳表面的逃逸速度的公式 v= (2GM/R)^½ 式中，G是万有引力常数，M是太阳的质量，R是太阳的半径。设v=c（c是光速），解出式中的半径R就是质量和太阳相同的黑洞半径的临界值。

1916年，卡尔 史瓦西使用爱因斯坦广义相对论推导出黑洞的临界半径R公式，结果和我们用牛顿万有引力定律推导的黑洞临界半径完全相同，所以c=（2GM/R）^½ 。式中的R叫做史瓦西半径

R=2GM/c²

如果一个质量为M的非旋转球体，其半径小于史瓦西半径，那么任何东西包括光都不能从该球体的表面逃出去，这个球体就是黑洞。在这种情况下，从黑洞中心到R之间的任何物质都受到黑洞的吸引而不能逃出去。

（2）事件视界 黑洞周围半径等于R的球面叫做事件视界。由于光不能从这样一个范围逃逸出去，我们不能看见里面发生的事件。事件视界外面的观测者对黑洞所能了解的全部信息就是它的质量、电荷和角动量。原因很简单，它的质量对其他物体有引力效应，它的电荷对其它带电体施加电力，它旋转的角动量会拖拽它周围的空间和这个空间内的一切物体。当视界内的物体坍塌时，所有关于这个黑洞的信息都会无可挽回地消逝了。

黑洞吞噬中子星的情景

3 造访黑洞

在远离黑洞的地方，质量相同的任何物体，其引力效应都相同。如果太阳坍塌形成黑洞，行星轨道不会受到影响。但接近黑洞的情况就完全不同了。当你奔向事件视界时，你身后的朋友会注意到几个奇特的效应和广义相对论有关

如果你携带发报机，发回你对那里发生事情的评论，你的朋友必须不断地把接收机的频率调低，这个效应叫做引力红移。与引力红移相符合的是你的时钟会走得越来越慢，这个效应叫做时间延缓。事实上，在他们有生之年，永远都不会看到你进入事件视界。

在你的坐标系中，你会在相当短的时间内以一种相当令人不安的方式进入事件视界。当你的脚先落入黑洞时，作用在你脚上的引力会比作用在你头上的引力大，因为头比脚离黑洞稍远一点；作用在你身体不同部位的引力差大到足以把你沿着黑洞的方向拉长和垂直于黑洞的方向压扁。这个效应叫做潮汐力，会把你撕裂成原子，然后在你到达事件视界之前，继续撕裂你的原子，把你变成更小的粒子。

当你走近黑洞的时候会发生什么？

4 探测黑洞

如果光不能从黑洞中逃逸出来，如果黑洞至少有三个太阳的质量，我们如何了解这种东西存在？答案是，黑洞附近的气体和尘埃往往被吸进旋转的吸积盘而进入黑洞，很像一个旋转的水池。吸积盘内物质之间的摩擦力使它失去了机械能，而盘旋进入黑洞；当它向黑洞内运动时，它被压缩在一起，热量增加导致温度升高，温度可达10^6k以上。吸积盘发出的热不仅有可见光，而且有X射线。天文学家寻找到这些X射线，就可以发现黑洞了。

天文学家通过X射线寻找黑洞

也有越来越多的例子证明，宇宙中存在着更大的超大质量的黑洞，一个例子被认为位于银河系的中心，距离地球大约26000光年的人马座方向上，银河系中心的高分辨率图像显示，恒星正以大于1500km/s的速度围绕着一个看不见的物体运动，看不见的物体位于人马座A星的无线电波源的位置。天文学家通过分析这些运动能推断出每颗恒星的轨道周期和半长轴，用开普勒第三定律计算出它的质量。

结论是在银河系中心，这个神秘的黑暗物体就是黑洞。该黑洞的质量为7.3X10^36km或3.7X10^6个太阳的质量。然而，用射电望远镜观测表明，这个黑洞的半径不超过10^11m，与地球到太阳的距离相当。这些观测也表明，该黑洞就是具有史瓦西半径的黑洞。天文学家希望提高他们的观测分辨率，以便实际上能看到黑洞的事件视界。