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黑洞之谜
2022-06-15

翻开天文书的"太阳"那一章,可以看到如下对太阳黑子周期的最简单描述:太阳面上的黑子有时多,有时少,呈现出有规律的周期性变化,平均周期约11.1年.作为最基本的情况,这当然是没有问题的.

可是,你可知道,黑子数从一次极大到下一次极大的时间间隔,最短的只有7.3年(1829~1837年),而最长的曾达到17.1年(1788~1805年),跟平均周期各相差约50%,偏差可以说是相当大的.其实,关于黑子周期的 问题,还远不止如此.

黑子是太阳活动的基本标志之一,黑子活动的强弱,或者说黑子的多少,是以一般所说的"相对数"来表示的.

黑子周期性增减的证据,是从长期观测中得到的,最先得出这个结论的,是德国的一位天文爱好者、药剂师施瓦布.

中心奇点

黑洞的表面是一个奇妙的视界,那么黑洞的内部又是怎样的情况呢?

由于黑洞中心的引力无穷大,因此黑洞视界内的物体不能保持静止,也不可能像地球绕太阳旋转一样以稳定的轨道绕黑洞中心转动.任何物体一旦进入黑洞的视界,都必将以光速向黑洞中心坠落.由于黑洞内部的引力异常强大,它的起潮力也异常强大.任何进入黑洞视界的物质,都会被无比强大的起潮力扯得粉碎,从而完全丧失它原来所具有的各种物质属性.这些被粉碎的物质彼此极为紧密地挤压在一起,成为一个密度无限大而体积为零的点.人们称这一点为中心奇点.在奇点四周,黑洞视界以内的其他地方则都是空空荡荡、一无所有.对于外界观测者来说,黑洞是一个统一的整体,它只有质量、电荷和角动量这三个基本物理量.

这就是根据广义相对论得到的黑洞形象:一个由封闭球面所围成的暗黑而空虚的空间,它中心的一点密度为无穷大.

黑洞候选者

黑洞问题使科学家们兴趣盎然,然而,宇宙空间中真实的黑洞究竟在哪里呢?时至今日,寻找黑洞的工作也进行了二三十年,黑洞究竟找到了没有呢?

由于黑洞是根本看不见的,所以搜寻黑洞的工作显得极其困难.要寻找它,只能从它对外界的作用下手.

黑洞——一个神奇的世界

经过二三十年比较广泛深入的观测和研究,目前,在科学家的心目中,黑洞到底是一种什么样的天体呢?

黑洞是一种极为奇特的天体,它既不像恒星,更不像行星,严格来讲它并不是星,而只是宇宙空间的一个区域.这个区域的表面是一个封闭的球面,人们称之为视界.黑洞的视界是一个比魔术师手中的魔杖还奇妙的东西.它将黑洞的内部与外部空间完全隔离开来,外来的辐射和物质可以进入视界之内,而视界的任何物质都不能跑到视界之外.

黑洞的视界还有一个很有趣的性质.由于黑洞的强引力作用,牛顿引力定理在黑洞附近的空间早已不适用,而根据广义相对论,强引力场使黑洞附近的时间变慢,并且离视界越近,时间变得越慢.如果把一个时钟放在黑洞的视界上,时钟就会停顿.时间是一种频率的周期性过程,与时间一样,其他频率的周期性过程在黑洞附近也会发生频率变慢的问题.频率变慢即波长变长.因此,天体越靠近黑洞,它的光谱红移就越大.

黑洞附近的强引力场不仅使时间变慢,也使得经过它附近的光线发生严重弯曲.而且引力场越强的地方,光线弯曲的程度也越厉害.

起初,天文学家们希望,黑洞恰巧是双星系统中的一个成员,在它围绕着双星系统中另一颗星旋转时,就能将它察觉和找出来.他们在这方面也确实做了大量的观测和搜寻工作.轰动一时的黑洞候选者——御夫座ε星的伴星就是通过这样的观测之后提出来的.

御夫座ε星是交食变星,也是分光双星.它的主星是一颗明亮的超巨星,肉眼即可看见.当它的伴星通过主星前面把很亮的主星挡住时,整个双星系统就变得非常暗.而在非交食期间,伴星又完全看不见.这颗看不见的伴星是一个黑洞吗?只能说有这种可能,因为目前的观测资料还不能排除其他可能性.

空间探测技术的发展为黑洞的搜寻工作又开辟了一条新的、有效的途径.黑洞的强引力场使周围带电物质以巨大的速度沿螺旋形曲线绕黑洞旋转,并逐渐向黑洞坠落.在这个过程中,这些带电物质就会发射出很强的X射线,形成空间中的X射线源.因此,对宇宙太空中的X射线源的观测,很可能会帮助人们找到黑洞.但是X射线不能穿透地球大气层到达地球表面,所以需要用火箭、气球或者卫星到大气层以外去观测.

天文学家通过大量大气外观测工作,发现太空中有许多发出X射线的天体——X射线源.这些X射线源中有一些是双星的一个成员,而这些包含在双星中的X射线源有可能就是黑洞.

在已发现的众多的X射线双星中,已经被证实它们的X射线大多数是由中子星发出的,并不是黑洞.只有天鹅座X—1被天文学家公认为是目前最有希望的黑洞候选者.

天鹅座X—1的主星是一颗蓝超巨星,视星等为9等,用一架小型天文望远镜即可看见.天文学家通过对它的观测和分析,发现有大量的气体物质正源源不断地从这颗蓝超巨星流向它那个光学望远镜看不见的X射线伴星.而且天文学家还计算出这颗伴星的质量远远超过了中子星的质量极限,因此它很可能就是黑洞.然而,科学家们目前也还不能排除它不是黑洞的可能性.

所以,时至如今,天鹅座X—1也还只能是一个黑洞的最佳侯选者.

难解之谜

经过科学家们几十年的努力,黑洞的理论研究工作有了很大的进展,黑洞的实际搜寻工作也硕果累累.然而,围绕着黑洞问题至今仍有许多谜还未解开.

首先,黑洞这种天体在现实世界中是否确实存在,目前还有疑问.尽管由于广义相对论是当今最好的引力理论,并且它已经经受了许多实验和观测的考验,因而人们相信它所预言的黑洞是存在的.但是,由于黑洞理论中还有未解决的难题,黑洞的搜寻也还缺少十足的证据.因此,科学家们对黑洞的存在目前并没有百分之百的把握.

其次,黑洞理论中尚有一些目前无法解决的难题,例如黑洞的中心奇点问题.黑洞的中心奇点状态是根据广义相对论得出来的,显然这种状态是不可能存在的.然而,黑洞中心不是奇点状态又应该是怎样的一种状态呢?黑洞中心奇点问题的提出,说明在黑洞中心附近极为特殊的物理条件下,广义相对论理论可能已经不再适用,需要有新的正确的理论来取而代之.当然,这并非易事,它吸引着许多科学家跃跃欲试.

随着时间的推移,黑洞之谜必将逐步彻底揭开.同时,黑洞问题的解决也必将会给人类对自然界的认识带来新的飞跃.

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