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第15章 黑洞(3)(1/2)

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黑洞是科学史上极为罕见的情形之一,在没有任何观测到的证据说明其理论是正确的情形下,作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确,这经常是黑洞反对者的主要论据:人们怎么能相信这样的物体,其仅有的证据是基于令人怀疑的广义相对论的计算呢?然而,1963年,加利福尼亚的帕罗玛天文台的天文学家马丁·施密特测量了在称为3c273(即是剑桥射电源编目第三类的273号)射电源方向的一个黯淡的类星体的红移。他发现引力场不可能引起这么大的红移——如果它是引力红移,这类星体质量必须这么大,并且离我们必须这么近,势必干扰太阳系中的行星轨道。这暗示这个红移是由宇宙的膨胀引起的,进而表明此物体离我们非常遥远。由于在这么远的距离还能观察到,它必须非常亮,也就是必须辐射出大量的能量。人们会想到,产生这么大能量的唯一机制看来不仅是一个恒星,而是一个星系的整个中心区域的引力坍缩。

人们还发现了许多其他相似的类星体,它们都有很大的红移。但是它们都离开我们太远了,所以对之进行观察太困难了,不能给黑洞提供结论性的证据。

1967年,剑桥的一位研究生约瑟琳·贝尔发现了天空发射出射电波的规则脉冲的物体,这对黑洞存在的预言带来了进一步的鼓舞。起初贝尔和她的导师安东尼·赫维许以为,他们可能和我们星系中的外星文明进行了接触!

我清楚地记得在宣布他们发现的讨论会上,他们将这四个最早发现的源称为lg表示“小绿人”

(“littlegreenman”)的意思。然而,最终他们和其他所有人都得到了不那么浪漫的结论,这些被称为脉冲星的物体,事实上是旋转的中子星。因为它们的磁场和周围物质复杂的相互作用,这些中子星发出射电波的脉冲。这对于写空间探险的作者而言是个坏消息,但对于我们这些当时相信黑洞的少数人来说,是非常大的希望——这是中子星存在的第一个正的证据。中子星的半径大约为10英里,只是恒星变成黑洞的临界半径的几倍。如果一颗恒星能坍缩到这么小的尺度,预料其他恒星能坍缩到更小的尺度而成为黑洞,就是理所当然的了。

按照黑洞定义,它不能发出光,我们何以希望能检测到它呢?这有点像在煤库里找黑猫。庆幸的是,有一种办法。正如约翰·米歇尔在他1783年的先驱性论文中指出的,黑洞仍然将它的引力作用到周围的物体上。天文学家观测了许多系统,在这些系统中,两颗恒星由于相互之间的引力吸引而相互围绕着运动。他们还观察到了这样的系统,其中只有一颗可见的恒星围绕着另一颗看不见的伴星运动。人们当然不能立即得出结论说,这伴星即为黑洞——它可能仅仅是一颗黯淡的看不见的恒星而已。然而,这种系统中的一些,像叫做天鹅x-1的那样,也是强x射线源。对这现象的最好解释是,物质从可见星的表面被吹起来,当它落向不可见的伴星时,形成螺旋状运动(这和水从浴缸流出很相似),并且变得非常热,发出x射线。为了使这机制起作用,不可见物体必须非常小,像白矮星、中子星或黑洞那样。通过观测那颗可见星的轨道,人们可以确定不可见物体的最小的可能质量。

在天鹅x-1的情形,这大约是太阳质量的6倍。按照昌德拉塞卡的结果,它的质量太大了,既不可能是白矮星,也不可能是中子星。因此,看来它只能是一个黑洞。

还有其他不包含黑洞的解释天鹅x-1的模型,但是所有这些都相当牵强附会。黑洞看来是对该观测的仅有的真正自然的解释。尽管如此,我和加州理工学院的基帕·索恩打赌说,天鹅x-1不包含一个黑洞!这对我而言是一种保险的形式。我对黑洞作了许多研究,如果发现黑洞不存在,而这一切都成为徒劳。但在这种情形下,我将得到赢得打赌的安慰,他要给我订阅4年的《私家侦探》杂志。事实上,从我们打赌的1975年迄今,虽然天鹅x-1的情形并没有改变太多,但是人们已经积累了这么多对黑洞有利的其他观测证据,我只好认输。我进行了约定的赔偿,那就是给索恩订阅一年的《藏春阁》,这使他开放的妻子相当恼火。

现在,在像我们的星系和两个名叫麦哲伦星云的邻近星系的系统中,我们还有几个类似天鹅x-1的黑洞的证据。然而,几乎可以肯定,黑洞的数量比这多得太多了!

在宇宙的漫长历史中,很多恒星肯定烧尽了它们的核燃料并坍缩了。黑洞的数目甚至比可见恒星的数目要大得多。

仅仅在我们的星系中,大约总共有1000亿颗可见恒星。

这样巨大数量的黑洞的额外引力就能解释为何目前我们的星系以现有的速率转动:仅用可见恒星的质量是不足以说明这一点的。我们还有某些证据表明,在我们星系的中心有一个大得多的黑洞,其质量大约是太阳的10万倍。星系中的恒星若十分靠近这个黑洞时,作用在它的近端和远端上的引力之差或潮汐力会将其撕开。它们的遗骸以及摆脱其他恒星的气体将落到黑洞上去。正如在天鹅x-1的情形那样,气体将以螺旋形轨道向里运动,并且被加热,虽然没有到那种程度。它没有热到足以发出x射线,但是它可以用来说明在星系中心观测到的非常致密的射电波和红外线源。

人们认为,在类星体的中心

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