郭雪峰磷酸铁:黑洞是怎样形成的呢？

由白矮星继续坍缩而成，是要比地球大的（1.1倍）

黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。

根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。

等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。

那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。

我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。

质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。

这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。

更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！

“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。
“黑洞”是一种天体：它的引力场强大得就连光也不能逃脱出来。根据广义
相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没
什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半
径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间
返回恒星表面。

等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表
面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像
宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真
正是“隐形”的，下面将会叙述。

黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒
星演化而来的。我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗
恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已
经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳
的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力
与压力平衡。

质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子
星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过
了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。

这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一
个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度
（史瓦西半径），正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向
外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无
法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎
么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传
播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯
曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，
而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏
离了原来的方向。

在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，
空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部
分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。

所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，
这就是黑洞的隐身术。

更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它
方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能
看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！

“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多
科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，
这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友
可以去参考专门的论著。

星系NGC4261 内黑洞周围的尘埃圆盘

黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。

黑洞的形成

天文学家第一次成功的测量到一个小型黑洞的活动情况及其一颗伴随的恒星快速穿过银河系的附近区域的情况。这个黑洞和伴随的恒星在一个圆形轨道上运动，最终会来到我们银河系的外部边缘地区。
在2001年9月的时候，曾经有科学家认为由恒星余烬密集压缩而成的黑洞是从一个恒星群中被排斥出来的。于是，科学家们开始研究银河系中的恒星群。
所发现的这一对双星被大家称为XTE J1118+480，是在2000年由NASA的Rossi X-ray Timing Explorer卫星所发现的。对它的无线电发射情况进行的研究表明，黑洞-恒星结合体同类星体非常相像，只是体积比较小。
这个黑洞从伴邻的恒星处所吞噬来的物质在黑洞的周围形成了一个漩涡状圆盘，从这个圆盘中不断喷射出亚原子粒子，同时发射出无线电波。一般人们都认为，类星体是由黑洞所组成，要比XTE J1118+480的质量大几十亿倍，所发射出的无线电波的强度要比XTE J1118+408强许多倍。
由于这对双星和地球非常接近，所以天文学家可以使用超大基线阵列(一种射电望远镜网络，从美国的夏威夷延伸到了美国处女岛)跟踪黑洞以及伴随的恒星的活动情况。这对天体以每秒145公里的速度移动着。
XTE J1118+480的轨道同太阳系中的球状星群的轨道非常类似，球状星群是银河系中由最古老的恒星所形成的庞大的恒星集团。同银河中大多数的恒星不一样，球状星群不在银河平面上运动，它的运行轨道一会儿高出银河系平面，一会儿低于银河系平面。
这个小黑洞的轨道同XTE J1118+480的轨道非常类似，这说明它在很早的时候曾经受到过很强的作用力，把它从球状星群中或是银河系平面区域上给推了出来。对这个过程进行模拟研究表明，这个黑洞最初的时候可能来自于球状星群，而且黑洞形成的时间要早于银河系的形成时间。这可能就表明，在银河系形成的早期阶段，曾经有一段时期集中地形成了大量的恒星。

宇宙大约在150亿年至200亿年前形成。它始于无限密集且温度非常高的一个点，科学家称这一点为奇点，我们所知的自然法则对它完全不适用。它积累了大量的物质，到达一个极点后爆发，科学家称这种现象为大爆炸。大爆炸之后，小的气体云再一次集中起来，并在引力的影响下组合。因此，就形成像太阳一样的星体。太阳的历史大约为50亿年。它不会永远存在，再过50亿年太阳将会消亡。太阳可以将光和热量送到3.8亿公里之外。这些能量来自核裂变反应，在温度高达1500摄氏度时，氢转化成氦。当太阳到了生命尽头时，它将不能承受内部裂变反应的压力。热气使太阳膨胀并使它爆裂，然后，地球上的所有生命和其他行星将会湮灭。在此过程中，太阳将会变异成一个红色的巨星。当太阳的燃料最终用完后，它可能在自身重心的影响下分裂。许多像太阳一样的星体压缩成我们所知的中子星。黑洞源自于中子星，其数量比太阳一样的恒星多很多倍。
渴望靠近星体是人类古老的梦。由于16世纪天文望远镜的出现，帮助我们解开了天体之谜。今天的射电望远镜的出现使我们能更准确地观察宇宙。1990年哈勃太空望远镜的发射升空，使我们能够更深入地观测宇宙。哈勃太空望远镜是以埃德温?哈勃的名字命名的，他早在1929年就注意到宇宙是持续扩张的。哈勃太空望远镜在我们的银河系中心所拍的照片非常清晰，基于这些照片，科学家推测在银河系中心有一个巨大的黑洞。科学家早已推测在银河外星系的中心有黑洞存在，当然有确切的证据。
天文学家用夏普超级照相机拍摄了6000亿个小斑点，其照片通过高性能的电脑阅读、分析，这就是天文学家如何在银河系中心发现了一个巨大黑洞的过程。如何拍摄一些事实上看不见的东西呢？天文学家从中心点按某种特定的，不同的间隔来观察星体，测量它们确切的速度。其结果发现和太阳系相似之处在于：越接近中心，星星移动得就越快。就像太阳系一样，在中心处有一个堆，它能控制一切。它不是一个太阳堆，而是250万个太阳堆同在一个非常小的体积里。中间的白色圆点是星星在黑洞周围旋转，这是一种死亡舞蹈，它们不可抗拒地旋入黑洞的中心并被吞没。
如果一个星体比太阳大很多，那么这样一颗星体会在相对短的时间也就是几百万年内爆炸；如果一颗星体比太阳大几百倍，那么它所剩的只有灰烬，如果这些灰烬有足够的重量，那就会崩裂而形成一个小黑洞。在银河系中，黑洞之所以出现在中心位置，可能是由于在其巨大引力下将星体拉到中心，形成了非常稠密的星体堆。在某个时候星体大量地滑移，彼此融化，形成一个中等尺寸的黑洞，它们通过不断吸入其他物质、星星和气体，随着时间的推移，黑洞会越变越大。卫星投入使用后，天文学家及宇宙学家开始揭示黑洞的理论原理，我们也因此了解到更多关于宇宙及黑洞的知识。
黑洞内部有什么秘密在等待我们去探索呢？所有的物质，无论是灰尘还是行星，都趋向于黑暗，被重心巨大的力量所牵引，潜伏在内部的某个地方，这就是时间与空间分离的地方。
物理学家曾相信只有三维空间，即长度的维数、高度的维数及宽度的维数。三维的意思是三个数字让我们把一切事物放置在从你的鼻尖到宇宙的尽头。爱因斯坦说要引入第四维；时间，就是说宇宙由四维组成。为了理解宇宙的性质，我们不得不特别关注时间的维数。通常我们经历时间和空间是非常困难的事情。我们已经在太空中认知了三维。通常我们看表时只是感知时间，但不能影响时间。时间的运动总是在同一个方向上进行———从过去到将来。我们既不能让时间逆转，也不能让时间停止，更不能让时间提前。自然科学家把空间和时间用数字的方式描述成一个单元，时空，时间是第四维的。在1905年，爱因斯坦创造了数学原理，即他的特殊理论———广义相对论，来统一时间和空间。此理论证明一个运行的时钟比一个静止的时钟走得慢。也就是说，一个移动很快的物体，时间过得比在地球上慢。在飞机上，时间的延伸只是亿万分之一秒，然而，这个时钟仍然非常精确，足以证明爱因斯坦的理论。
根据爱因斯坦的理论，按轨道环绕地球的飞行员，大约每小时行驶73000公里，时间过得却非常慢。为什么会这样呢？在广义相对论里没有绝对的时间。爱因斯坦把时间和空间作为动力来理解。因此时空不是平直的而是卷曲的。为了理解这一理论，我们想象一个空间作为一个有弹性的橡胶布。大量的天上星体创造了一个槽，就像蹦床上的保龄球一样。所有的物质都沿最小阻力的曲线轨道而运行，因此，物质决定了时空的曲率，同时时空决定了物质的运行行为。在太阳周围的区域，重心使时空卷曲。太阳背后的星光沿这个曲率运行并被弯曲。因此，星体的位置对于地球上的观察者来说有些歪斜。巨大的物质能使时空卷曲，它的功能就像曲光镜。
黑洞的奇点符合大爆炸的奇点。宇宙的密度及时空的曲率在这儿是无限的。数字不能处理无限的数字，所以奇点是抽象的点，没有人会到达那里。当你到达黑洞的中心会发生什么，就像在大爆炸之前会发生什么一样，这个答案目前无法回答，但黑洞给我们提供了发挥奇异思考的空间。

黑洞是一类密度极高的星体。由於它周围存在巨大的引力场，所有经过附近的物质均被吸进去，即使光也不能逃脱，同样，处於黑洞里的物体也不能逃出黑洞。我们知道，地球上的物体若获得很大的初始速度，便可脱离地球的引力而飞到太空，如果初始

速度足够大，还可以脱离太阳的引力而逃出太阳系，而人类用火箭发射卫星或太空船便是利用了此原理。物体逃离地球的最小初始速度是由地球的质量和半径决定的，如果地球被压缩成一个很小的球，当其半径小於某一临界值时，对周围物体的引力便会变得非常之大，即使光这种在宇宙中传播速度最快的波动也会被地球吸住而不得逃走，这时地球便变成了一个黑洞。

按照恒星演化理论，黑洞是恒星演化的最后阶段，即是「死亡」了的恒星。由於黑洞不会放射出物质或辐射，我们不能直接观察到黑洞。但是黑洞可以与邻近的恒星构成双星系统，从地球上看来，那可见的恒星 (伴星) 便好像是与一个看不见的天体不停地大跳华尔滋 (见图)，从它运动的程度可推算出那看不见天体的质量，如果那天体的质量非常庞大，便很有可能是一个黑洞。此外，黑洞的巨大引力使伴星的气体物质以螺旋轨道冲进黑洞，由於被急速压缩，物质的温度变得很高，Χ射线和伽玛射线从而产生，在地球上观察这些射线，便可找到黑洞存在的证据。