第三章    無限遠的邊緣：宇宙中的特大質量黑洞

指時空曲率大到光都無法從其視界逃脫的天體。黑洞的產生過程類似于中子星的產生過程；

某一個恒星在準備滅亡，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發生強力爆炸。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止，被壓縮成一個密實的星體，同時也壓縮了內部的空間和時間。但在黑洞情況下，由于恒星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去，中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個密度高到難以想象的物質。由于高質量而產生的力量，使得任何靠近它的物體都會被它吸進去。黑洞開始吞噬恒星的外殼，但黑洞并不能吞噬如此多的物質，黑洞會釋放一部分物質，射出兩道純能量——伽馬射線。 　　也可以簡單理解：通常恒星的最初只含氫元素，恒星內部的氫原子時刻相互碰撞，發生聚變。 　　由于恒星質量很大，聚變產生的能量與恒星萬有引力抗衡， 黑洞

以維持恒星結構的穩定。由于聚變，氫原子內部結構最終發生改變，破裂并組成新的元素——氦元素，接著，氦原子也參與聚變，改變結構，生成鋰元素。如此類推，按照元素周期表的順序，會依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，該恒星便會坍塌。這是由于鐵元素相當穩定不能參與聚變，而鐵元素存在于恒星內部，導致恒星內部不具有足夠的能量與質量巨大的恒星的萬有引力抗衡，從而引發恒星坍塌，最終形成黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質一旦掉進去，就再不能逃出。跟白矮星和中子星一樣，黑洞可能也是由質量大于太陽質量好幾倍以上的恒星演化而來的。 　　當一顆恒星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料（氫）， 引力強大的黑洞。

由中心產生的能量已經不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質將不可阻擋地向著中心點進軍，直到最后形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當它的半徑一旦收縮到一定程度（一定小于史瓦西半徑），質量導致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”就誕生了。編輯本段表現形式　　恒星的時空扭曲改變了光線的路徑， 黑洞

使之和原先沒有恒星情況下的路徑不一樣。光在恒星表面附近稍微向內偏折，在日食時觀察遠處恒星發出的光線，可以看到這種偏折現象。當該恒星向內坍塌時，其質量導致的時空扭曲變得很強，光線向內偏折得也更強，從而使得光線從恒星逃逸變得更為困難。對于在遠處的觀察者而言，光線變得更黯淡更紅。最后，當這恒星收縮到某一臨界半徑（史瓦西半徑）時，其質量導致時空扭曲變得如此之強，使得光向內偏折得這么也如此之強，以至于光線再也逃逸不出去 。這樣，如果光都逃逸不出來，其他東西更不可能逃逸，都會被拉回去。也就是說，存在一個事件的集合或時空區域，光或任何東西都不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者，這樣的區域稱作黑洞。將其邊界稱作事件視界，它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。 　　與別的天體相比，黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它，

黑洞圖片(36張)科學家也只能對它內部結構提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的時空。根據廣義相對論，時空會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短光程傳播，但相對而言它已彎曲。在經過大密度的天體時，時空會彎曲，光也就偏離了原來的方向。 　　在地球上，由于引力場作用很小，時空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，時空的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術。 　　更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發出的光能直接到達地球，它朝其它方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”，

還同時看到它的“側面”、甚至“后背”，這是宇宙中的“引力透鏡”效應。 　　這張紅外波段圖像拍攝的是我們所居住銀河系的中心部位，所有銀河系的恒星都圍繞銀心部位可能存在的一個超大質量黑洞公轉。 據美國太空網報道，一項新的研究顯示，宇宙中最大質量的黑洞開始快速成長的時期可能比科學家原先的估計更早，并且現在仍在加速成長。 　　一個來自以色列特拉維夫大學的天文學家小組發現，宇宙中最大質量黑洞的首次快速成長期出現在宇宙年齡約為12億年時，而非之前認為的20~40億年。天文學家們估計宇宙目前的年齡約為136億年。 　　同時，這項研究還發現宇宙中最古老、質量最大的黑洞同樣具有非常快速的成長。有關這一發現的詳細情況將發表在最新一期的《天體物理學報》。編輯本段大型黑洞　　巨型黑洞 　　宇宙中大部分星系，包括我們居住的銀河系的中心都隱藏著一個超大質量黑洞。這些黑洞質量大小不一，大約100萬～100億個太陽質量。天文學家們通過探測黑洞周圍吸積盤發出的強烈輻射推斷這些黑洞的存在。物質在受到強烈黑洞引力下落時，會在其周圍形成吸積盤盤旋下降，在這一過程中勢能迅速釋放，將物質加熱到極高的溫度，從而發出強烈輻射。黑洞通過吸積方式吞噬周圍物質，這可能就是它的成長方式。 　　這項最新的研究采用了全世界最先進的地基觀測設施，包括位于美國夏威夷莫納克亞山頂，海拔4000多米處的北雙子座望遠鏡，位于智利帕拉那山的南雙子座望遠鏡，以及位于美國新墨西哥州圣阿古斯丁平原上的甚大陣射電望遠鏡。 　　特大黑洞 　　新發現的黑洞，位置在距地球5000～1億光年的處女座與白羊座中。專家指出，大部分黑洞質量，只比太陽多出數倍，但是新搜集到的數據顯示，這3個黑洞的質量，約是太陽的5000～1億倍。大質量黑洞的成長 　　觀測結果顯示，出現在宇宙年齡僅為12億年時的活躍黑洞，其質量要比稍后出現 中子星-內部結構模型圖

[3]的大部分大質量黑洞質量小10倍。但是它們的成長速度非常快，因而現在它們的質量要比后者大得多。通過對這種成長速度的測算，研究人員可以估算出這些黑洞天體之前和之后的發展路徑。 　　該研究小組發現，那些最古老的黑洞，即那些在宇宙年齡僅為數億年時便開始進入全面成長期的黑洞，它們的質量僅為太陽的100到1000倍。研究人員認為這些黑洞的形成和演化可能和宇宙中最早的恒星有關。 　　天文學家們還注意到，在最初的12億年后，這些被觀測的黑洞天體的成長期僅僅持續了1億到兩億年。 　　這項研究是一個已持續7年的研究計劃的成果。特拉維夫大學主持的這項研究旨在追蹤研究宇宙中最大質量黑洞的演化，并觀察它們對宿主星系產生的影響。編輯本段第一個被人類發現的黑洞　　1970年，美國的“自由”號人造衛星發現了與其他射線源不同的天鵝座X-1，位于天鵝座X-1上的是一個比太陽重30多倍的巨大藍色星球，該星球被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學家一致認為這個物體就是黑洞，它就是人類發現的第一個黑洞。編輯本段已知最大的黑洞　　目前，天文學家最新觀測發現小型星系竟包含著一個超大質量黑洞，其質量是太陽的170億倍。天文學家也沒有線索證實這一奇怪現象。 　　天文學家發現一個超級質量黑洞，所在NGC 1277星系中心膨脹區域59%恒星質量都聚集在黑洞中，這項發現將進一步增添了星系與黑洞之間關系的神秘性。 　　位于英仙座星系群的小型星系NGC 1277距離地球2.5億光年，這個處在其內部的黑洞質量竟然達到太陽質量的170億倍。相比之下，銀河系中心的超大質量黑洞就是小巫見大巫了，它僅是太陽質量的400萬倍。 　　普通黑洞僅占星系膨脹區域的0.1%質量，在此之前觀測到擁有最大比例質量黑洞的星系是NCG 4486B，它的黑洞質量占星系的11%。而當前發現NGC 1277星系的神秘巨型黑洞仍是一個謎團，德國馬克思-普朗克天文研究所的天文學家雷姆科-范德-博世說：“我們并未想到宇宙中會存在如此巨大的黑洞，目前我們進一步揭開其中的秘密，并掌握類似的星系在宇宙中如何形成，以及存在的普遍性。” 　　NGC 1277星系可能并不是唯一的，目前天文學家正在研究多個類似情況的星系，它們可能蘊藏著不成比例的大型黑洞。編輯本段演化過程吸積

　　黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的，這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特性。目前觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當吸積氣體接近中央黑洞時，它們產生的輻射對黑洞的自轉以及視界的存在極為敏感。 黑洞拉伸，撕裂并吞噬恒星

對吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉黑洞和視界的存在提供了強有力的證據。數值模擬也顯示吸積黑洞經常出現相對論噴流也部分是由黑洞的自轉所驅動的。 　　天體物理學家用“吸積”這個詞來描述物質向中央引力體或者是中央延展物質系統的流動。吸積是天體物理中最普遍的過程之一，而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結構。在宇宙早期，當氣體朝由暗物質造成的引力勢阱中心流動時形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由氣體云在其自身引力作用下坍縮碎裂，進而通過吸積周圍氣體而形成的。行星（包括地球）也是在新形成的恒星周圍通過氣體和巖石的聚集而形成的。當中央天體是一個黑洞時，吸積就會展現出它最為壯觀的一面。黑洞除了吸積物質之外，還通過霍金蒸發過程向外輻射粒子。

蒸發

　　由于黑洞的密度極大，根據公式我們可以知道密度=質量/體積，為了讓黑洞密度無限大，那就說明黑洞的體積要無限小，然后質量要無限大，這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恒星“滅亡”后所形成的死星，它的質量極大，體積極小。但黑洞也有滅亡的那天，按照霍金的理論，在量子物理中，有一種名為“隧道效應”的現象，即一個粒子的場強分布雖然盡可能讓能量低的地方較強，但即使在能量相當高的地方， 黑洞噴射物不斷變亮

[4]場強仍會有分布，對于黑洞的邊界來說，這就是一堵能量相當高的勢壘，但是粒子仍有可能出去。 　　霍金還證明，每個黑洞都有一定的溫度，而且溫度的高低與黑洞的質量成反比例。也就是說，大黑洞溫度低，蒸發也微弱；小黑洞的溫度高蒸發也強烈，類似劇烈的爆發。一個太陽大的黑洞，大約要1后面66個0年才能蒸發殆盡；一顆小行星大小的黑洞會在10小數點后面21個0加1秒內蒸發得干干凈凈[5]

毀滅

　　黑洞會發出耀眼的光芒，體積會縮小，甚至會爆炸。當英國物理學家史迪芬·霍金于1974年做此預言時，整個科學界為之震動。 　　霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍，他結合了廣義相對論和量子理論。他發現黑洞周圍的引力場釋放出能量，同時消耗黑洞的能量和質量。 　　假設一對粒子會在任何時刻、任何地點被創生，被創生的粒子就是正粒子與反粒子，而如果這一創生過程發生在黑洞附近的話就會有兩種情況發生：兩粒子湮滅、一個粒子被吸入黑洞。“一個粒子被吸入黑洞”這一情況：在黑洞附近創生的一對粒子其中一個反粒子會被吸入黑洞，而正粒子會逃逸，由于能量不能憑空創生，我們設反粒子攜帶負能量，正粒子攜帶正能量，而反粒子的所有運動過程可以視為是一個正粒子的為之相反的運動過程，如一個反粒子被吸入黑洞可視為一個正粒子從黑洞逃逸。這一情況就是一個攜帶著從黑洞里來的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的總能量少了，而愛因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的損失會導致質量的損失。 　　當黑洞的質量越來越小時，它的溫度會越來越高。這樣，當黑洞損失質量時，它的溫度和發射率增加，因而它的質量損失得更快。這種“霍金輻射”對大多數黑洞來說可以忽略不計，因為大黑洞輻射的比較慢，而小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。編輯本段分類特點　　按物理性質劃分 　　根據黑洞本身的物理特性質量，角動量，電荷劃分，可以將黑洞分為四類。 　　不旋轉不帶電荷的黑洞：它的時空結構于1916年由施瓦西求出稱施瓦西黑洞。 　　不旋轉帶電黑洞：稱R-N黑洞。時空結構于1916至1918年由賴斯納和納自敦求出。 　　旋轉不帶電黑洞：稱克爾黑洞。時空結構由克爾于1963年求出。 　　一般黑洞：稱克爾-紐曼黑洞。時空結構于1965年由紐曼求出。 　　雙星黑洞：與其他恒星一塊形成雙星的黑洞。 宇宙黑洞只是一個模糊的概念，它既看不到也摸不到，只能通過X射線和伽馬射線來確定它的存在和測量它的體積和質量。但是現在對于這個宇宙黑洞的數據都是估量值，現在已經有一些天文專家準備利用它周圍的天體的X射線和伽瑪射線來精確測量一下它的精確數據。