黑洞是什麼

06-16

摘要：「黑洞」很容易讓人望文生義地想像成一個「大黑窟窿」，其實不然。黑洞遠沒有那麼簡單。它是宇宙天體中的「個性一族」。根據相對論，90％的宇宙都消失在黑洞里。所以一種更令人吃驚的說法是：「無限的黑洞乃是宇宙本身」。　「黑洞」很容易讓人望文生義地想像成一個「大黑窟窿」，其實不然。黑洞遠沒有那麼簡單。它是宇宙天體中的「個性一族」。

　　晴朗的夜晚人們遙望星空，那些亮晶晶的小星星看起來沒有什麼個性，它們存在的唯一證明只是它們的明亮。然而還有不發出亮光的星體，它們的意義更為重大。美國國家宇航局曾經發射了高能的天文觀測系統，研究太空中看不見的光線。在發回的X射線宇宙照片中，最驚人的一幕是那些從前認為「消失」了的星體依舊在放出強烈的宇宙射線，而且射線強度遠遠高於太陽這樣的恆星體。這證明了長久以來一個怪異的設想：宇宙中存在著看不見的「黑洞」。

　　如前所說，黑洞是天體中的「個性一族」，它的性質不能用常規的觀念思考，但是它的原理並不難。黑洞的形成需要一個必要條件：一個巨大的物體集中在一個極小的範圍，而晚期的恆星恰巧具備了這個條件。當恆星能量衰竭時，高溫的火焰不能抵消自身重力，逐漸向內聚合，原子收縮，恆星很快進入白矮星階段，體積變小，亮度驚人。白矮星進一步內聚收縮，最後突然變成一個點，這就像跟太陽一樣大的恆星突然收縮成了高爾夫球那麼大，甚至「什麼都沒有」。在我們看來，也就是恆星消失了，而一個黑洞就這樣誕生了。

　　由於無限大的密度，崩坍了的星體具有不可思議的引力，附近的物質都可能被吸進去，甚至光線都不能逃脫--這是我們看不見它的原因。這個深不可測的洞，就很形象地被稱為「黑洞」。科學家相信大多數星系的中心都有黑洞，包括我們身在其中的銀河系。根據相對論，90％的宇宙都消失在黑洞里。所以一種更令人吃驚的說法是：「無限的黑洞乃是宇宙本身」。

　　那麼，怎麼才能在無際的太空中發現黑洞呢？天文學家利用光學望遠鏡和X射線觀察裝置密切地注視著幾十個「雙子」星座，它們的特別之處在於兩個恆星大小相等，誰都不能俘獲誰，繼而互為軌道運轉。如果其中一顆星發生不規則的軌道變化，亮度降低或消失，有可能就是因為附近產生了黑洞。

　　人類為探索黑洞付出了不懈的努力。最為成功的一次是在肯亞發射的第一顆X射線衛星觀測系統，被稱做「烏胡魯」，在斯瓦希里語中是「自由」的意思。這個由美國國家宇航局（NASA）發射的裝置，運行3個月就感到天鵝星座的異常。天鵝座X-1星發出的「無線電波」使得人們可以準確地測定它的位置。X-1星比太陽大20倍，離地球有8000光年。研究表明這顆星的軌道發生了改變，原因在於它的看不見的鄰居——一個有太陽5至10倍大的黑洞，圍繞X-1旋轉的周期是5天，它們之間的距離是1300萬英里，這是人類確定的最早的一顆黑洞體。

　　自從哥白尼和伽利略的學說提出以來，還沒有一個關於宇宙的理論具有如此的革命性。黑洞的普遍性一旦證實，那麼宇宙比我們所能想像得還要神秘。我們知道宇宙處於不斷地擴張中，這是「宇宙核」初始爆炸的結果，宇宙核乃是一切物質的來源。當那裡的物質越來越稀薄時，宇宙是否會停止擴張？天體的巨大引力是否會最終引起宇宙收縮？相對論回答：是的。黑洞的存在部分地證實了它的預言。即使宇宙不會消失在一個黑洞中，也可能會消失在幾百萬個黑洞中。另外，徹底揭開黑洞之謎，還意味著給予有關人類終極命運的思索一個明確的答案。

　　宇宙黑洞能哼出低音小調

　　不久前，科學家發現宇宙中的黑洞能夠發出低音聲波。

　　天文學家說，距離地球2.5億光年的英仙座星系叢中心的巨型黑洞在過去數十億年中可能一直在發出低音聲波，只是因為超出了人的聽力範圍，人類無法聽到。

　　劍橋大學的教授通過國家航空航天局的錢德拉X射線觀測儀對英仙座星系叢的核心進行了觀測。科學家認為，在這個位置存在著一個質量是太陽25億倍的黑洞。通過觀測發現，該星系叢的星系之間存在的宇宙氣體表現出一種以星系叢核心為同心圓的波紋模式，這些波紋的大小達到30000光年。天文學家認為，周圍的天體墜落到黑洞時產生的重力波動壓力造成了這種波紋，不時有天體墜落到黑洞內就產生了不間斷的波動。天文學家認為這種波動就是聲波。通過計算波紋之間的距離以及聲波在該星系叢中的傳播速度，研究人員確定了黑洞發出的聲波頻率。研究人員確定該黑洞發出的聲音比8度音階中的中C還低57度，這樣的音調是人耳所不能聽到的，研究人員表示，這也是迄今為止發現的最低音調。

　　天文學家同時表示，我們的銀河系中心同樣存在著一個巨型黑洞。但由於這個黑洞還比較年輕，各種活動非常劇烈並干擾了類似聲音的傳播。

　　天文學家首次發現黑洞也會「唱歌」。不過，黑洞發出的天籟之音凡人的耳朵根本無法欣賞。它過於低沉，頻率只有人耳所能聽到的最低聲音的上千萬億分之一，是迄今在宇宙中探測到的最低沉的聲音。　地球上空可能存在無數的微型短命黑洞

　　高能宇宙粒子穿過大氣時，可能會產生許多異常微小而短命的黑洞，它們如雨般傾瀉在地球上。

　　一些物理學家認為，高能宇宙射線與地球大氣分子碰撞時，可能產生微型黑洞。這些黑洞的質量只有10微克左右，並且非常不穩定，可能在10－27秒這樣短的時間裡爆炸成為一簇粒子。

　　據英國《新科學家》雜誌報道，希臘克里特大學的塞奧佐魯·托馬拉斯與兩位俄羅斯合作者提出，如果上述微型黑洞產生和湮滅的情景是真的，30多年來一些設置在高山上的宇宙射線探測器發現的神秘「半人馬」現象，就能得到合理的解釋。

　　這種現象的特點是，探測器反常地捕捉到大量帶電的、由夸克組成的粒子，而且探測器底部捕捉到的粒子比頂部多得多，科學家以神話中頭小身軀大的半人馬來比擬它。在過去30年里，高山探測器共發現了超過40次「半人馬」現象。

　　科學界對此現象提出了多種假說，托馬拉斯等人認為微型黑洞的解釋比較合理。他們推算了高能粒子產生的微型黑洞在探測器附近爆炸時產生的信號，發現與探測器實際記錄到的信號吻合。

　　如果這一理論是正確的，將有著非常重要的意義。這不僅意味著微型黑洞的確存在，也為高維宇宙理論提供了依據。而且，歐洲粒子物理實驗室於2007年開始運行的大型強子對撞機，由於能產生能量足夠高的粒子，可以每天製造出成千上萬的微型黑洞。

　　人造黑洞

　　根據黑洞產生的原理，2001年1月，英國聖安德魯大學著名理論物理科學家烏爾夫·利昂哈特宣布他和其他英國科研人員將在實驗室中製造出一個黑洞，當時沒有人對此感到驚訝。然而，俄羅斯《真理報》曾披露俄羅斯科學家的預言：黑洞不僅可以在實驗室中製造出來，而且50年後，具有巨大能量的「黑洞炸彈」將使如今人類談虎色變的「原子彈」也相形見絀，成為不值一提的小兒科。

　　※ 黑洞炸彈可以造成10億人死亡

　　俄羅斯科學家亞力克山大·特羅菲蒙科認為，能吞噬萬物的真正宇宙黑洞完全可以通過實驗室「製造出來」：一個原子核大小的黑洞，它的能量將超過一家核工廠。

　　如果人類有一天真的製造出黑洞炸彈，那麼一顆黑洞炸彈爆炸後產生的能量，將相當於無數顆原子彈同時爆炸，它至少可以造成10億人死亡。

　　據特羅菲蒙科稱，製造「黑洞炸彈」的反物質被科學家們稱做歐頓（otone）。一顆歐頓的質量相當於一顆原子的40倍，而這些歐頓可能產生的能量是原子的多少倍就不得而知了。

　※ 關於黑洞的誕生的理論

　　對於黑洞的誕生，天文學家發現新的證據，支持有關大質量星死亡後形成黑洞的理論。

　　科學家在分析一顆鄰近黑洞的恆星後發現它的氣體來自附近的超新星爆炸。

　　據科學家稱，黑洞可自兩種途徑產生：一種是超巨質量恆星在核反應停止後塌縮形成，另一種是死亡的恆星爆炸後其殘骸塌縮產生。

　　Canary島天文物理協會表示，天文學家已經建立起超新星的物理環境模型，搭起了超新星與黑洞形成間的關聯。

　　天文學家推測，在距離天蠍座一萬光年處，有一顆恆星與黑洞相當接近，其周圍大量的X射線爆發便是物質被其「吞噬」的證據之一。

　　專家對這顆恆星的光譜進行了分析以確定其成分，結果發現其中含有高出正常值很多的氧、鎂、矽與硫等不可能由這顆恆星本身產生的元素。科學家推測這些元素是來自於從前在附近爆炸的另一顆恆星，但現在這顆恆星已經看不見了。要產生這些元素，必須經曆數十億度的高溫，而只有超新星爆炸才能達到這樣的高溫。這顆爆炸了的恆星的質量大約為太陽的四十倍，它大約是在一百萬年前爆炸的，爆炸時的光度估計在地球上以肉眼就可以看見。

　　該觀測結果首次證實了黑洞是由超新星爆炸所產生。奧克拉荷馬大學教授也表示，這是一項最直接而又符合邏輯的觀測證據。

　　巨大黑洞是怎樣形成的

　　人們已經認識到了，黑洞是超新星爆發的結果，但是對於巨大黑洞的起源，目前還沒有定論。巨大黑洞不能由小黑洞聚合而成，不過，除此之外，就沒有突然形成中間質量黑洞的途徑了嗎？有，當然有。不過，要存在這種可能的關鍵之處在於是否能把具有太陽質量100萬倍的天體凝縮至0.01光年以下的空間。

　　作為一種可能性，哈佛大學的科學家提出了一種新的設想：在宇宙誕生之初，由大質量的天體產生了中間質量的黑洞。科學家們把這個過程用計算機進行了模擬，結果顯示，在宇宙誕生30萬年時，大質量的天體中發生了電離，大小凝縮至0.01光年以下。此時，宇宙中澄澈無比，光能夠通行無阻，也就是說整個宇宙是明亮的而非如今般深暗。那時產生的黑洞質量約為太陽的10萬倍到100萬倍，而且基本上是在與星系無關的空間形成的。

　　黑洞與星系遭遇，黑洞便會落入星系的中心。如果落入星系中心的黑洞一年間會附著一個太陽質量的物質的話，一億年後就會擁有一億倍以上的太陽質量，它會變成一個「大胖子」，從而成為巨大的黑洞。以類星體的能量來說，如此規模的質量附著是必不可少的，但是這種模型也不能完全自圓其說。考慮到一般的宇宙模型，以這種機理形成的黑洞的數目比星系的數目要少得多。因此，在理論上，形成巨大黑洞的確切過程應當說仍未明了。

　　巨大黑洞的起源之謎直到今天仍包裹在重重迷霧之中。黑洞是如何越變越大的，巨大黑洞與星系的誕生和演化又具有怎樣的關係，需要解釋的疑問還很多。

　　※ 黑洞可能占宇宙能量之半

　　科學家發表的一篇報告中指出，黑洞這種看不見的宇宙墳場所釋放的能量可能高達宇宙誕生以來所有總量總和的一半，但這一理論還需要進一步的驗證。

　　多年來，天文學家猜測黑洞會輻射能量，但其量無法與恆星相比。然而最新的研究發現，其實黑洞所輻射的能量可與恆星相匹敵。

　　科學家們認為，如果以可見光的宇宙來看，似乎宇宙中大部分能量都來自恆星。但新的研究發現，隱藏在塵埃與氣體背後的輻射能量也相當巨大，而這些能量有可能是來自黑洞。但因為黑洞是「隱形」的，而且它的種類也相當多，所以科學家們對黑洞所具備的能量知之甚少。超巨質量黑洞可達太陽質量的一百萬、甚至十億倍，但體積卻只有太陽系大小。當氣體被吸進黑洞時，會達到極高的速度併產生巨大的能量。從這些高溫、高速氣體所輻射出來的巨大能量，波長範圍涵蓋可見光至X射線，但其可見光輻射直到最近才被觀測到，所以對黑洞所具有能量的測定還將是一個長期的過程。