黑洞研究的历史与现状

黑洞研究的历史与现状

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一，它不仅是科幻作品中的常见元素，更是现代天体物理学研究的热点。从18世纪的最初设想，到20世纪广义相对论的建立，再到近年来对黑洞的直接观测，人类对黑洞的认识经历了漫长而曲折的发展过程。本文将带你回顾黑洞研究的历史，探索黑洞的物理特性，并了解科学家们如何寻找这些宇宙中的"隐形巨人"。

黑洞研究的历史

黑洞的设想最早可以追溯到18世纪。1798年，法国天文学家拉普拉斯根据牛顿的引力理论，预言了一种类似于黑洞的天体存在。他设想这种天体的直径是太阳的250倍，密度与地球相当，其引力强大到足以俘获所有发出的光线，因此从外部看起来就像一个黑暗的洞穴。这是人类首次提出暗天体的概念。

1917年，爱因斯坦创建了广义相对论，建立了引力场方程，为探讨宇宙提供了坚实的理论基础。1938-1939年，美国物理学家奥本海默（J.R.Oppenheimer）开始对广义相对论和天体物理学产生兴趣。他与沃尔科夫（G.M.Volkoff）合作研究中子星，发表了《论大质量的中子核》的论文，为星体结构奠定了广义相对论的理论基础。随后，奥本海默与斯奈德（Harttland Snyder）合作研究引力，发表了《论连续的引力》，首次提出了星体坍缩形成封闭边界（视界）的概念。虽然当时他们没有使用"黑洞"这个词，但这些研究为后来的黑洞物理学奠定了基础。

黑洞的物理特性

所谓视界，是卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）在研究广义相对论时提出的一个概念。1916年，史瓦西找到了广义相对论球对称引力场的严格解，这个解描述了球形天体附近光线和粒子的运动行为，在现代相对论天体物理学中起着关键性的作用。他提出，在离致密天体或大质量天体的中心某一距离处，逃逸速度等于光速，即在此距离以内的任何物质和辐射都不能逸出。后人称此距离为史瓦西半径，并把此半径处的球面称为视界。

图 12 – 22 黑洞示意图

黑洞的观测与研究

1967年，脉冲星的发现并很快被证明是中子星，这使得人们开始认识到超密物质在自然界中确实存在。从那时起，黑洞的研究和探索开始活跃起来，很快变成了天体物理学的热门课题。天文学家一直在寻找黑洞存在的证据，但由于黑洞本身的特性，直接观测是不可能的。因此，科学家们转而通过间接方法来探测黑洞。

近年来，天文学家一直致力于寻找黑洞。孤立的黑洞是看不到的，因而难以观测，人们找到一种特殊的星体，即所谓的“密近双星”，也就是说，人们希望通过双星中的一颗子星的引力效应和电磁效应间接探测黑洞。从20世纪70年代起，已经找到了好几个星体，可以看成是黑洞的候选者。最典型的是天鹅座 X – 1，其黑洞的质量为 10 ~ 15M⊙，伴星为一颗超巨星。

当星体老化时，内部核能的生成促使其外层向外大大扩张，因此这些星体变成了巨星。如果它是双星系统的子星，外层的原子将会达到并越过两星之间引力的平衡点。这样物质就有可能从膨胀的子星流向别的子星。这种现象叫做吸积。当一个子星的气体被另一个黑洞子星吸积时，便会发出强烈的 X 射线辐射，因此，在 X 射线双星系统中，如果一个子星的质量超过中子星的质量上限——3M⊙，而在光学上又是不可见的，这个子星就可能是黑洞。再有，星系的质量可以通过星系的旋转曲线获得，星系的光度也可以测得。由此得出质光比。有一些星系中心区域的质光比往往超过太阳质光比百倍以上，这样的星系核心区很可能存在黑洞。其中一个典型例子就是椭圆星系 M87，在其中心核区，质光比高达 500，根据哈勃太空望远镜（如图 12 – 24）的观测，其周围电离气体盘围绕的中心质量为 2.4×109M⊙，可以说是一个惊人的超大质量黑洞。这样的星系级超大质量黑洞，已经发现了 10 个以上。活动星系核的核心直径一般都小于几个光年，而质量却达到了 108M⊙。从其产能机制只能认为中心一定存在着黑洞。日美高级宇宙及天体物理卫星（ASCA，如图 12 – 25）观测一些塞佛特（Seyfert）星系的电离铁的 X 射线（K）线，得到其谱线宽度对应的热气体运动速度达到 1/3 光速，这只能是接近黑洞视界的运动速度，从而找到了黑洞存在的证据。

图 12 – 24 哈勃太空望远镜

图 12 – 25 日美高级宇宙及天体物理卫星

天体物理学家普遍相信，每一个活动星系，其中心必定有黑洞存在。甚至我们的银河系也不例外。银河系中心附近的一个特殊射电源——半人马座 A 可能是一个大型黑洞，它的质量约为 2.6×106M⊙，离地球约 2.6 万光年，尺寸与太阳到火星的距离相当。美国洛杉矶加州大学的科学家曾经报告说，他们找到了表明半人马座 A 射电源是黑洞的证据。