黑洞

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黑洞，顾名思义是黑色的，看不见任何物体的天体，也就是说连光传播速度高达30W公里/小时都无法摆脱其引力的超高密度天体。那么从科学的角度来看，黑洞究竟是什么呢？

    黑洞是在广义相对论预言的一种特别致密的暗天体。据估计，黑洞是死亡恒星的剩余物，是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见，这就是这种物体被称为“黑洞”的缘故。我们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。虽然这么说，但黑洞还是有它的边界，它有一个称为“视界”（需要注释）的封闭边界，黑洞中隐匿着巨大的引力场，因引力场特别强以至于包括光子在内的任何物质只能进去而无法逃脱。形成黑洞的星核质量下限约3倍太阳质量（强德拉塞卡极限—下文有注释）——即质量小于强德拉塞卡极限的恒星是不可能演变为黑洞的。

    黑洞其实也是个星球(或者说类似星球)，只不过它的密度非常非常大, 靠近它的物体都被它的引力所约束，不管用多大的速度都无法脱离。比如对于地球来说，以第二宇宙速度（11.2km/s）来飞行就可以逃离地球，但是对于黑洞来说，它的第二宇宙速度之大，竟然超越了光速，所以连光都跑不出来，于是射进去的光没有反射回来，我们的眼睛就看不到任何东西，只是黑色一片。

    首先看一下黑洞的诞生和毁灭

    一句话概括来说是：恒星的消亡是产生黑洞的必要条件。黑洞的诞生过程类似于中子星的产生过程：恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末（即比中子星密度还大得多），剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。任何靠近它的物体都会被它吸进去，黑洞就变得像真空吸尘器一样。

　　恒星的消亡过程可以理解为：通常恒星的最初只含氢元素，恒星内部的氢原子时刻相互碰撞，发生裂变、聚变。由于恒星质量很大，裂变与聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。由于裂变与聚变，氢原子内部结构最终发生改变，破裂并组成新的元素——氦元素。接着，氦原子也参与裂变与聚变，改变结构，生成锂元素。如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成。直至铁元素生成，该恒星便会坍塌。这是由于铁元素相当稳定不能参与裂变或聚变，而铁元素存在于恒星内部，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞。
　　
    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。总结起来说，白矮星、中子星和黑洞，就是晚年恒星的三种变化结果。

    根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积很小、密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径），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。

    萎缩直至毁灭

    黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。当英国物理学家史迪芬.霍金于1974年做此预言时，整个科学界为之震动。

    霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃，他结合了广义相对论和量子理论。他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量。当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。这样，当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计，因为大黑洞辐射的比较慢，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑洞的爆炸。

PS：霍金的《时间简史》中写道：我们可以认定一对粒子会在任何时刻、任何地点被创生，被创生的粒子就是正粒子与反粒子，而如果这一创生过程发生在黑洞附近的话就会有两种情况发生：两粒子湮灭、一个粒子被吸入黑洞。“一个粒子被吸入黑洞”这一情况：在黑洞附近创生的一对粒子其中一个反粒子会被吸入黑洞，而正粒子会逃逸，由于能量不能凭空创生，我们设反粒子携带负能量，正粒子携带正能量，而反粒子的所有运动过程可以视为是一个正粒子的为之相反的运动过程，如一个反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子从黑洞逃逸。这一情况就是一个携带着从黑洞里来的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的总能量少了，而爱因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的损失会导致质量的损失。

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现在，白矮星已经找到了，中子星也找到了，而寻找黑洞困难的原因，主要因为黑洞是黑的，要找到它们实在是很困难。特别是那些单个的黑洞，我们现在基本还没有办法。但是有一种情况下的黑洞比较有希望找到，那就是双星里的黑洞。

    双星就是两颗互相饶着转的恒星。虽然我们看不见黑洞，但却能从那颗看的见的恒星的运动路线分析出来。因为双星中的每一个星都是沿着椭圆形路线运动的，而单颗的恒星不是这样运动。如果我们看到天空中有颗恒星在沿椭圆形路线运动，却看不到它的“同伴”，那就需要密切关注。我们可以把那颗星走的椭圆的大小，走完一圈用的时间，都测量出来，然后就可以算出来那个看不见的“同伴”的质量。如果算出来质量很大，超过中子星能有的质量，那就可以进一步证明它是个黑洞了。

    比如在天鹅星座，有一对双星，名叫天鹅座X-1。这对双星中，一颗是看的见的亮星，另一颗却看不见。根据那可亮星的运动路线，可以算出来它的“同伴”的质量很大，至少有太阳质量的五倍，这么大的质量是任何中子星都不可能有的。当然，除这些以外还有别的证据。所以,基本上可以肯定，天鹅座X-1中那个看不见的天体就是一个黑洞。这是人类找到的第一个黑洞。
　
    黑洞的划分大致有两个原则：按组成和其本身的物理特性。

    按组成来划分，黑洞可以分为两大类：一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。

    暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大的暗能量组成，它内部没有巨大的质量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋转，其内部产生巨大的负压以吞噬物体，从而形成黑洞，详情请看“宇宙黑洞论”。暗能量黑洞是星系形成的基础，也是星团、星系团形成的基础。

    物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成，具有巨大的质量。当一个物理黑洞的质量等于或大于一个星系的质量时，我们称之为奇点黑洞。暗能量黑洞的体积很大，可以有太阳系那般大。它的比起暗能量黑洞来说体积非常小，它甚至可以缩小到一个奇点。

    1972年，美国普林斯顿大学青年研究生贝肯斯坦提出黑洞"无毛定理"：星体坍缩成黑洞后，只剩下质量，角动量，电荷三个基本守恒量继续起作用。其他一切因素("毛发")都在进入黑洞后消失了。这一定理后来由霍金等四人严格证明。由此，根据黑洞本身的物理特性，可以将黑洞分为以下四类：

(1)不旋转不带电荷的黑洞。它的时空结构于1916年由施瓦西求出称施瓦西黑洞。

(2)不旋转带电黑洞，称R-N黑洞。时空结构于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。

(3)旋转不带电黑洞，称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。

(4)一般黑洞，称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。

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黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。目前观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。对吸积黑洞光度和光谱的分析为旋转黑洞和视界的存在提供了强有力的证据。数值模拟也显示吸积黑洞经常出现相对论喷流也部分是由黑洞的自转所驱动的。

    天体物理学家用“吸积”这个词来描述物质向中央引力体或者是中央延展物质系统的流动。吸积是天体物理中最普遍的过程之一，而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂，进而通过吸积周围气体而形成的。行星（包括地球）也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。但是当中央天体是一个黑洞时，吸积就会展现出它最为壮观的一面。然而黑洞并不是什么都吸收的，它也往外边散发质子。



    因此与别的天体相比，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。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？目前的答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光在普通状态下是沿直线传播的。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。

    黑洞没有具体形状，你也无法看见它，只能根据周围行星的走向来判断它的存在。虽然它有强大的吸引力但与此同时这也是判断它位置的一个重要证据，就算它对距地球极近的物质产生影响时，我们也还有足够的时间挽救，因为那时它的“正式边界”还离我们很远。况且，恒星坍缩后大部分都会成为中子星或白矮星。但这并不意味着我们就可以放松警惕了，这也是人类研究它的原因之一。

    恒星、白矮星、中子星、夸克星和黑洞是依次的五个密度当量星体。密度最小的当然是恒星，黑洞是物质的终极形态。

    因此现在由于恒星的衰亡越来越多，因此宇宙中存在的黑洞数量也随之相应增多，而根据目前观测到的情况，宇宙是在继续膨胀的。那么当黑洞的数量达到一定的程度以后，是否会对宇宙的膨胀进行抑制从而达到一种动态平衡，还是会量变到质变使得宇宙开始缩小，然后把整个宇宙变成一个黑洞，再大爆炸进入一个新的循环呢？目前我们还不得而知，不过继续研究黑洞的动力学，是解开上述谜团的第一步。

    要研究黑洞的动力学，需要讨论广义相对论。

    广义相对论是爱因斯坦创建的引力学说，适用于行星、恒星，也适用于“黑洞”。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说，说明空间和时间是怎样因大质量物体的存在而发生畸变。简言之，广义相对论说物质弯曲了空间，而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。

    爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的，但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块，则将产生更大的效果，使床面下沉得更多。事实上，石头越多，弹簧床面弯曲得越厉害。同样的道理，也适用于宇宙。

    如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动，它将沿直线前进。反之，如果它经过一个下凹的地方，则它的路径呈弧形。同理，天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进，而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进。

    现在再来看看黑洞对于其周围的时空的影响。设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。自然，石头将大大地影响床面，不仅会使其表面弯曲下陷，还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以宇宙出现，若宇宙中存在黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂叫做时空的奇异性或奇点。

    现在我们来看看为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去。正如一个滚过弹簧床面的网球，会掉进大石头形成的深洞一样，一个经过黑洞的物体也会被其引力陷阱所捕获。而且，若要挽救运气不佳的物体需要无穷大的能量。

    处于时间与空间之间的黑洞，使时间放慢脚步，使空间变得有弹性，同时吞进所有经过它的一切。

    我们都知道因为黑洞不能反射光，所以看不见。但英国著名物理学家霍金认为黑洞并不如大多数人想象中那样黑。通过科学家的观测，黑洞周围存在辐射，而且很可能来自于黑洞。一个黑洞会持续几百万万亿年散发能量，黑洞释放能量称为：“霍金辐射”。黑洞散尽所有能量就会消失。霍金指出黑洞的放射性物质来源是一种实粒子，这些粒子在太空中成对产生，不遵从通常的物理定律。而且这些粒子发生碰撞后，有的就会消失在茫茫太空中。

    霍金还指出，黑洞产生的同时，实粒子就会相应成对出现。其中一个实粒子会被吸进黑洞中，另一个则会逃逸，一束逃逸的实粒子看起来就像光子一样。对观察者而言，看到逃逸的实粒子就感觉是看到来自黑洞中的射线一样。  
   

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1967年，剑桥的一位研究生约瑟琳.贝尔发现了天空发射出无线电波的规则脉冲的物体，这对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。

    在黑洞这个概念刚被提出的时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的，人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。起先人们以为，光粒子无限快地运动，所以引力不可能使之慢下来，但是罗麦关于光速度有限的发现表明引力对之可有重要效应。

    1783年，剑桥的学监约翰.米歇尔在这个假定的基础上指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光，还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这边而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们现在称为黑洞的物体。

    1928年，一位印度研究生——萨拉玛尼安•强德拉塞卡——乘船来英国剑桥跟英国天文学家阿瑟.爱丁顿爵士（一位广义相对论家）学习。（据记载，在本世纪20年代初有一位记者告诉爱丁顿，说他听说世界上只有三个人能理解广义相对论。然而，强德拉塞卡意识到，不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。恒星中的粒子的最大速度差被相对论限制为光速。这意味着，恒星变得足够紧致之时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用小。强德拉塞卡计算出；一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。（这质量现在称为强德拉塞卡极限）

    这对大质量恒星的最终归宿具有重大的意义。如果一颗恒星的质量比强德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英里和密度为每立方英寸几百吨的“白矮星”。白矮星是它物质中电子之间的不相容原理排斥力所支持的。我们观察到大量这样的白矮星，第一颗被观察到的是绕着夜空中最亮的恒星——天狼星转动的那一颗。

    兰道指出，对于恒星还存在另一可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍，但是其体积甚至比白矮星还小得多。这些恒星是由中子和质子之间，而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径只有10英里左右，密度为每立方英寸几亿吨。在中子星被第一次预言时，并没有任何方法去观察它。实际上，很久以后它们才被观察到。

    如果你把更多的质量加在白矮星或中子星上，使之超过极限将会发生什么？它会坍缩到无限密度吗？强德拉塞卡指出，不相容原理不能够阻止质量大于强德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。但是，根据广义相对论，这样的恒星会发生什么情况呢？这个问题被一位年轻的美国人罗伯特•奥本海默于1939年首次解决。然而，他所获得的结果表明，用当时的望远镜去观察不会再有任何结果。

    现在，我们从奥本海默的工作中得到一幅这样的图象：恒星的引力场改变了光线的路径，使之和原先没有恒星情况下的路径不一样。光锥是表示光线从其顶端发出后在空间——时间里传播的轨道。光锥在恒星表面附近稍微向内偏折，在日食时观察远处恒星发出的光线，可以看到这种偏折现象。当该恒星收缩时，其表面的引力场变得很强，光线向内偏折得更多，从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言，光线变得更黯淡更红。最后，当这恒星收缩到某一临界半径时，表面的引力场变得如此之强，使得光锥向内偏折得这么多，以至于光线再也逃逸不出去 。根据相对论，没有东西会走得比光还快。这样，如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能逃逸，都会被引力拉回去。也就是说，存在一个事件的集合或空间——时间区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。现在将这区域称作黑洞，将其边界称作事件视界，它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。

       当观察一个恒星坍缩并形成黑洞时，为了理解所看到的情况，假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩，按照他的表，每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在他的表的某一时刻，譬如11点钟，恒星刚好收缩到它的临界半径，此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去，他的信号再也不能传到空间飞船了。当11点到达时，他在空间飞船中的伙伴发现，航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间，他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间，然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照航天员的手表，光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出；从空间飞船上看，那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长，所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡，最后，该恒星变得如此之朦胧，以至于从空间飞船上再也看不见它，所余下的只是空间中的一个黑洞。然而，此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上，使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。

    但是由于以下的问题，使得上述情景不是完全现实的。你离开恒星越远则引力越弱，所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前，这力的差就已经将我们的航天员拉成意大利面条那样，甚至将他撕裂。然而，我们相信，在宇宙中存在质量大得多的天体，譬如星系的中心区域，它们遭受到引力坍缩而产生黑洞；一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上，当他到达临界半径时，不会有任何异样的感觉，甚至在通过永不回返的那一点时，都没注意到。但是，随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。

    根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和我们预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达他那儿。这令人惊奇的事实导致罗杰•彭罗斯提出了宇宙监督猜测——由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方，在那儿它被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲，这是所谓弱的宇宙监督猜测：它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性失效的影响，但它对那位不幸落到黑洞里的可怜的航天员却是爱莫能助。

    广义相对论方程存在一些解，这些解使得我们的航天员可能看到裸奇点。他也许能避免撞到奇点上去，而穿过一个“虫洞”来到宇宙的另一区域。看来这给空间——时间内的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有这些解似乎都是非常不稳定的；最小的干扰，譬如一个航天员的存在就会使之改变，以至于他还没能看到此奇点，就撞上去而结束了他的时间。换言之，奇点总是发生在他的将来，而从不会在过去。强的宇宙监督猜测是说，在一个现实的解里，奇点总是或者整个存在于将来（如引力坍缩的奇点），或者整个存在于过去（如大爆炸）。因为在接近裸奇点处可能旅行到过去，所以宇宙监督猜测的某种形式的成立是大有希望的。

    事件视界，也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界，正如同围绕着黑洞的单向膜：物体，譬如不谨慎的航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。任何东西或任何人一旦进入事件视界，就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。

    广义相对论预言，运动的重物会导致引力波的辐射，那是以光的速度传播的空间——时间曲率的涟漪。引力波和电磁场的涟漪光波相类似，但是要探测到它则困难得多。就像光一样，它带走了发射它们的物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射所带走，所以可以预料，一个大质量物体的系统最终会趋向于一种不变的状态。例如，绕着太阳公转的地球即产生引力波，其能量损失的效应将改变地球的轨道，使之逐渐越来越接近太阳，最后撞到太阳上，以这种方式归于最终不变的状态。在地球和太阳的情形下能量损失率非常小——大约只能点燃一个小电热器， 这意味着要用大约1干亿亿亿年地球才会和太阳相撞，没有必要立即去为之担忧。地球轨道改变的过程极其缓慢，以至于根本观测不到。但几年以前，在称为PSR1913＋16（PSR表示“脉冲星”，一种特别的发射出无线电波规则脉冲的中子星）的系统中观测到这一效应。此系统包含两个互相围绕着运动的中子星，由于引力波辐射，它们的能量损失，使之相互以螺旋线轨道靠近。

    在恒星引力坍缩形成黑洞时，运动更快得多，这样能量被带走的速率就高得多。所以不用太长的时间就会达到不变的稳定状态。人们会以为它将依赖于形成黑洞的恒星的所有的复杂特征——不仅仅它的质量和转动速度，而且恒星不同部分的不同密度以及恒星内气体的复杂运动。如果黑洞就像坍缩形成它们的原先物体那样变化多端，一般来讲，对之作任何预言都将是非常困难的。

    然而，加拿大科学家外奈.伊斯雷尔在1967年使黑洞研究发生了彻底的改变。他指出，根据广义相对论，非旋转的黑洞必须是非常简单、完美的球形；其大小只依赖于它们的质量，并且任何两个这样的同质量的黑洞必须是等同的。事实上，它们可以用爱因斯坦的特解来描述，这个解是在广义相对论发现后不久的1917年卡尔•施瓦兹席尔德找到的。一开始，许多人（其中包括伊斯雷尔自己）认为，既然黑洞必须是完美的球形，一个黑洞只能由一个完美球形物体坍缩而形成。所以，任何实际的恒星——从来都不是完美的球形——只会坍缩形成一个裸奇点。

　　对于伊斯雷尔的结果，一些人，特别是罗杰.彭罗斯和约翰.惠勒提倡一种不同的解释。他们论证道，牵涉恒星坍缩的快速运动表明，其释放出来的引力波使之越来越近于球形，到它终于静态时，就变成准确的球形。按照这种观点，任何非旋转恒星，不管其形状和内部结构如何复杂，在引力坍缩之后都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。这种观点得到进一步的计算支持，并且很快就为大家所接受。

    伊斯雷尔的结果只处理了由非旋转物体形成的黑洞。1963年，新西兰人罗伊.克尔找到了广义相对论方程的描述旋转黑洞的一族解。这些“克尔”黑洞以恒常速度旋转，其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。如果旋转为零，黑洞就是完美的球形，这解就和施瓦兹席尔德解一样。如果有旋转，黑洞的赤道附近就鼓出去（正如地球或太阳由于旋转而鼓出去一样），而旋转得越快则鼓得越多。由此人们猜测，如将伊斯雷尔的结果推广到包括旋转体的情形，则任何旋转物体坍缩形成黑洞后，将最后终结于由克尔解描述的一个静态。

　　黑洞是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确，这经常是反对黑洞的主要论据。然而，1963年，加利福尼亚的帕罗玛天文台的天文学家马丁•施密特测量了在称为3C273（即是剑桥射电源编目第三类的273号）射电源方向的一个黯淡的类星体的红移。他发现引力场不可能引起这么大的红移——如果它是引力红移，这类星体必须具有如此大的质量，并离我们如此之近，以至于会干扰太阳系中的行星轨道。这暗示此红移是由宇宙的膨胀引起的，进而表明此物体离我们非常远。由于在这么远的距离还能被观察到，它必须非常亮，也就是必须辐射出大量的能量。人们会想到，产生这么大量能量的唯一机制看来不仅仅是一个恒星，而是一个星系的整个中心区域的引力坍缩。人们还发现了许多其他类星体，它们都有很大的红移。但是它们都离开我们太远了，所以对之进行观察太困难，以至于不能给黑洞提供结论性的证据。
PS：这段比较枯燥，不过已经尽力做到趣味性和科学性融合:y4

   

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黑洞的碰撞

    一项最新研究显示，使用现有的天文设备能够观测到超大质量黑洞碰撞后形成的持续“红外线晚霞”，这种晚霞能够持续发光10万年。这项研究有助于科学家更早地发现黑洞发生碰撞的迹象。

    超大质量黑洞的质量是太阳的数百万至数十亿倍，通常它们出现在像银河系或更大的星系中心位置。像这样的碰撞属于宇宙中最猛烈的现象，黑洞碰撞后产生的能量远超出宇宙所有恒星的能量之和。碰撞所形成的能量通常被认为以重力波形式释放，在太空星系结构形成难以捉摸的波纹，这些能被天文观测装置探测到。



只释放红外线

    研究人员称，美国宇航局“斯皮策”太空望远镜具备红外线探测能力，可观测到此类红外线发光呈现绚丽晚霞的景象。施尼特曼说，“不同于其他太空红外线来源，刚碰撞的黑洞不会发出X射线或紫外线，我们只需要找到红外线来源即可。”未参与此项研究的哥伦比亚大学天体物理学家克里斯坦•蒙诺尤称，这是一项非常吸引人的天文学研究。

    施尼特曼和克罗利克估计目前宇宙存在着超大质量黑洞碰撞形成的10万多个可观测红外线来源。他们向《天体物理学杂志》提交了这项研究。

银河系的中心——黑洞

北京时间9月18日消息　据国外媒体报道，美国国家航空航天局日前宣布，天文学家们在紧邻银河系中心的区域发现了数十颗庞大而且非常明亮的恒星。

    这一发现让专家们感到万分惊奇：要知道在银河系的中央存在着一个巨型黑洞，此前流行的理论认为，在黑洞附近是不可能存在任何天体的。能够发现这些恒星还要感谢美国的“钱德拉”X射线太空望远镜。它们距离银河系的中心区域只有95亿公里（小于1光年）。要补充的是，地球到银河系中心黑洞的距离大约为2.6万光年。

    此次发现的这批恒星的体积大约是太阳的30－50倍，亮度则达到了后者100倍。天文学家们认为，这些恒星可能会发展为超巨星并发生爆炸。随后，它们将在自身巨大引力的作用下发生收缩、塌陷，最终会演变为一群小型的黑洞。



    通常情况下，身处黑洞附近的天体均会逐渐地被黑洞所吞噬，并最终消失的无影无踪。从事恒星研究的科学家们猜测，此次在银河系中央黑洞附近发现的恒星可能形成了一个独特的环形结构，其中包含有各种天体。

    天文学家们认为，巨型黑洞均处于各个星系的中央部位。

    众所周知，包括恒星在内的任何物质一旦陷入黑洞的引力场都会消失的无影无踪。但是科学家们新近的这一重大发现却表明，围绕在黑洞周围一定距离上的盘状气态物质也有可能演化为恒星。

Mars

嗯，从黑洞的理论中我始终在想，也许宇宙是有边界的，宇宙并不是无限大的。因为引力可以使的时空弯曲，想象一下，假如宇宙中总引力足够强大的话，那么也许时空就是闭合的一个球。而这个球中的任何物质都无法具备逃离这个球的速度。可以这样理解，假如我们是一束光线的话，那么我们开始从地球出发，在我们的视线内我们一直做着直线运动，可是因为看不见的引力作用，实际上我们走的并不是直线，很可能是一条曲线，而越往前走曲率就越大，那么最终我们将很可能回到地球。其实这不难理解，就好像在地球表面旅行一样，看似走直线，实际上围绕着地球圆形的表面在走一样。也就是说因为连光线都无法逃离宇宙这个闭合的球，因此，我们无论如何也无法借助光线看到宇宙之外的世界，因此我们认为宇宙是无限大的。实际上我们生活在宇宙这个闭合的球中，所演化出的所有感官都是适合宇宙这个环境的，因此，我们也只能根据宇宙现有的表现形式（如：光线、其他射线等）来认知宇宙，即使有宇宙之外的物质进入宇宙，由于其表现形式不同于宇宙内部的物质，因此也是我们的感官无法认知的，因此，我们依然认为宇宙就是这个样子的，就是这样无限大的。

steal

4楼第二个年代笔误了？

[ 本帖最后由 steal 于 2009-4-23 13:16 编辑 ]

tom.hp

原帖由 steal 于 2009-4-23 13:14 发表
4楼第二个年代笔误了？

嗯，谢谢指正，已经改好h:23

zcc

呵呵，那段是时间简史第六章里面的，还是比较有名的。