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第4章 黑洞之谜

在天文学中,有一个叫“黑洞”的东西。望文生义的话,很容易让人把它想象成是一个大黑窟窿。其实不然,所谓“黑洞”,就是一种天体,它的引力场很强,甚至连光也不能逃脱。

著名科学家爱因斯坦认为,星球有一种引力磁场,它能够使时空弯曲。当恒星的体积很大时,它的引力磁场对时空几乎没什么影响,恒星表面上某一点发出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着弯曲的空间返回恒星的表面。当恒星的半径小到一个特定数值(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。

那么,黑洞是怎样形成的呢?

科学家们经过多年的研究发现,黑洞实际上跟白矮星和中子星一样,很可能也是由恒星演化而来的。

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),恒星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。这样,质量小一些的恒星就主要演化成了白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。根据科学家们的计算,中子星的总质量不能大于3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,从而引发另一次大坍缩。

为此,科学家们猜想,这样的情况下,物质将不可阻挡地向着中心点坍缩,直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。但是,当它的半径一旦收缩到一定程度,正像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,连科学家也只能对它的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——弯曲空间。我们都知道,光是沿直线传播的。这是一个我们大家都应该十分熟悉的最基本的常识。可是根据著名科学家爱因斯坦的广义相对论学说,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,可另一部分会通过弯曲的空间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,有些恒星不仅朝着地球发出的光能直接到达地球,它朝其他方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而到达地球。这样,我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,同时还能看到它的侧面,甚至后背!

黑洞无疑是20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,有兴趣的小朋友可以去读一下那些专门的论著。

从事宇宙黑洞研究多年的世界天体物理学泰斗、英国牛津大学著名物理学家斯蒂芬·霍金曾经在爱尔兰首都都柏林举行的一个学术研讨会上就自己的新发现向外界进行过详细的阐述。他说,根据他的最新发现,黑洞并非只是吞噬物质。除了会在星系形成的过程中扮演重要角色外,在经过一段相当漫长的时间后,黑洞也会把一些曾被它吸入的物质信息向外界释放出来。

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