世界未解之谜(彩图全解版)

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黑洞！黑洞！ 为了研究太空中看不见的光线，美国宇航局研制 发射了高能的天文观察系统。在其发回的X射线宇宙 照片中，天文学家发现了最惊人的一幕：那些人们认 为已经湮灭了的星体依然放射出比太阳这样的恒星体 更为强烈的宇宙射线。这证明了长久以来人们的一个 大胆设想：宇宙中确实存在着看不见的“黑洞”。 什么是黑洞呢？要解释这个问题，我们要先从万 有引力谈起。 牛顿的万有引力定律认为，地球和宇宙间的一切 天体，都具有强大的相互吸引力，它们能牢牢地吸引 住附近的一切物体。比如地球的引力吸引着地表的物 质使之不能随意地飞离地球；人们想要把人造卫星送 上围绕地球运行的轨道，至少要使发射的火箭有每秒 钟8千米的速度。如若不然，因为地球的引力，人造 卫星就会被拉回地面，我们称这个速度为第一宇宙速 度；如果我们要把一只飞船送到火星上去，也就是说 要让飞船摆脱地球引力的控制，那么发射的火箭就要 把速度提到每秒钟11千米，这个速度叫做第二宇宙速 度，又被称为天体的表面脱离速度。不同天体的表面 脱离速度也不同，这与质量关系密切。比如说，月球 的质量比地球小，表面脱离速度就比地球的表面脱离 速度小很多；而太阳的质量比地球大许多倍，表面脱 离速度就会相应大许多。 那么，人们不禁又要问：有没有可能在宇宙中有 这样一些天体，它们的表面脱离速度能超过每秒30万 千米，比光速还要大？由于它自己的引力如此之大， 以至于连它所发射的光都跑不出来？ 1798年，法国天文学家拉普拉斯从牛顿力学出发 ，预言了宇宙中可能存在引力如此之大的大天体。他 认为“宇宙中最明亮的天体，很可能我们根本就看不 到它”。他大胆地假设说，如果有—个天体的密度或 质量很大，达到了—个限度，这时它很可能是不可见 的。因为光速也低于它的表面脱离速度，也就是说光 无法离开它而最终到达我们这里。他的预测其实就是 一种早期的黑洞理论。 近代以来，爱因斯坦发表了广义相对论，越来越 多的自然科学家从牛顿力学和广义相对论出发，得出 了类似结论，纷纷预言“黑洞”的存在。依据牛顿的 万有引力理论，科学家得出，一个球形的天体，一旦 它的质量超过太阳质量的2倍，就可能引发“引力崩 溃”。也就是说，它可能会向自己的中心引力坍缩， 成为一个体积无限小、质量无限大的质点。依据爱因 斯坦的广义相对论，德国科学家史瓦西计算出了一个 可能具备无穷大引力的天体半径。他进一步阐述说， 一个天体一旦半径达到了这个大小，就很可能有无限 大的引力，任何物质都不能从它那儿逃脱出来，只能 被它吸引进去。即便光线速度极快，也“难逃噩运” 。这个有能力把一切吸引住的地方，人们无法看到它 ，因而称之为黑洞。 当今科学家们更加确切地定义了黑洞。他们认为 黑洞是广义相对论能够预言的一种特殊天体。这种天 体具有一个封闭的边界称为“视界”，这是它最基本 的特征。视界的封闭也是相对而言的，外界的物质和 辐射可以进入视界，而视界内的一切都无法逃逸到外 面去。更简单地说，黑洞不向外界发射和反射任何光 线，人们就没办法“看到”它，这就是黑洞之所以“ 黑”的原因；同时任何东西一旦进入其中，就再也出 不来了。黑洞似乎永远都处于饥饿的状态，是个填不 饱的“无底洞”，有人形象地把它叫做“星坟”。 人们已不再置疑是否有黑洞，那么黑洞里面的情 况如何呢？由于目前对黑洞还没有直接的观测依据， 科学家们只能从理论上推测。假如有一位无畏的科学 家驾驶飞船向黑洞飞去，他最先感到的是巨大的吸引 力。他要是从窗口望出去，就会看到一个平底锅似的 圆盘在周围星光衬托下很显眼。走得更近，远方似乎 有“地平线”，发出X射线，那似乎深不见底的黑洞 便是被这“地平线”包围着。光线在黑洞附近变形， 成为一个光环。宇航员这时要返航已是不可能的了， 双脚受到的巨大引力使得他向黑洞中心飞去。他如同 坐在刑具台上，头和脚之间出现巨大的引力差，这巨 大的引力差早在距“地平线”4800千米之外的地方就 把他撕碎了。 科学家一直在寻找能说明黑洞存在的证据。黑洞 本身是不能被直接观测到的，但它有相当大的引力场 ，这就会影响附近天体的运动。于是人们找到了间接 观测黑洞的方法，那就是由附近天体的运动来推测黑 洞的存在。如果有物质落向黑洞，当它接近但还没有 到达视界时，就会围绕着黑洞外围做高速旋转，运动 轨迹呈盘状或喇叭状，而且这些物质在高速旋转时会 因摩擦而产生高温，同时释放出强大的高能x射线。 人们用仪器是可以探测到X射线的，所以这类高能辐 射也成为科学家们寻找黑洞的重要线索。根据这一点 ，天文学家开始在浩瀚的宇宙中细细搜寻。终于人们 发现在天鹅座附近有奇特的强X射线源，这就是著名 的“天鹅X-1射线源”，有一颗比太阳大20倍的亮星 和它相互围绕着旋转。估计这个X射线源便是一个黑 洞，而且这个黑洞大概拥有8倍太阳的质量。人们还 估计，在一个名叫M87的椭圆星系的核心，很可能有 一个质量巨大的黑洞，而它竟有90亿倍太阳的质量。 从这些结果出发，科学家们大胆地做了更深一步 的设想。他们认为，在整个宇宙中，普遍存在着黑洞 ，而且组成宇宙的主要天体很有可能就是黑洞。他们 还进一步预言，在银河系中心，很可能也存在着一个 质量相当于500万个太阳质量的巨大黑洞。正是由于 它巨大的引力，才将成千上万颗恒星吸引住，这些恒 星和气体的运行速度极快，而且都围绕着银河系中心 旋转，成为一个十分巨大的集合体，银河系由此而成 。 那么，什么原因导致宇宙中黑洞的形成呢？有人 认为，恒星到了它的晚年，耗尽全部的核燃料，由于 自身引力发生坍缩。如果坍缩物质的质量比太阳质量 大3倍，那么最终的坍缩产物就是黑洞。此类黑洞的 质量一般不会很大，不超过太阳质量的50倍。另外有 人还认为由于在星系或球状星团的中心部分密集分布 了很多恒星，以致于星与星之间极易发生大规模的碰 撞，导致超大质量天体的坍缩，质量超过太阳1亿倍 的黑洞就这样形成了。还有一种说法认为，也许是在 宇宙大爆炸时，产生了极为强大的力量，一些物质被 如此强的力量挤压得非常紧密，于是产生了“原生黑 洞”。 一旦证实了黑洞的普遍存在，那么宇宙不但神秘 如同我们的想象，甚至神秘得超乎我们的想象。我们 知道宇宙仍处于不断的扩张中，这是宇宙大爆炸的结 果，爆炸中心的宇宙核仍是一切物质的来源。宇宙是 否会在宇宙核的物质变得很稀薄时停止扩张？是否会 因为各天体的自身引力而导致收缩？相对论的回答是 肯定的，黑洞的存在部分地证实了相对论的判断。也 许宇宙不会消失在一个黑洞中，那么很可能会消失在 几百万个黑洞中。因此，彻底地揭开黑洞之谜，还关 系着人类对于宇宙归宿的追问。 P6-7