浅说黑洞的原理与形态

■建一

通过天文观测设备探测到的种种迹象表明，神秘的黑洞并不是凭空想象出来的理论模型，而是一种客观存在的拥有高强度磁场的天体。

黑洞原理

总体上，宇宙的温度是相对均匀各向同性的，物质的聚合分散都由温度这只无形的手来操纵。宇宙大尺度空间中有一个相对恒定的温度值，这个温度值就决定了物质运动的规律性，自然界物质在不断地从温度高的区域向温度低的区域、由密度大的区域向密度小的区域运动，大到星球、星系，小到分子、原子的形成和演变，都在这一框架内。当一个结构空间的温度值低于这个相对孤立系统的均衡点时，热量会从高温区向低温区传递，周围物质必然会从密度较大的区域向这一密度较小的区域汇集，出现一个吸引力大于离心力的区域，在物质流的惯性作用下形成一个高速旋转的旋涡。

现代科学证明，决定物质能量大小的有两个重要因素，一是物质的质量，二是物质的运动速度。各类物质结构由于质量的不同，运动速度的差异，会产生能量大小程度不同的磁场。任何空间结构都存在磁场，只是有强弱之分罢了，物质结构和磁场不可分割。磁场与电场一样，也具有力和能的特征，磁场的能量可以因物质运动速度产生叠加效应，使该空间的物质密度增大、运动速度加快而形成一个磁场旋涡。

当磁场旋涡中的构成物质凝聚向一个方向做有序运动时，快速旋转运动产生的巨大引力会吸引附近的物质以螺旋形轨道向磁场旋涡中心运动，而环绕磁场旋涡中心运动的超高速粒子流在磁场斥力的作用下又不断地向磁场旋涡中心的边缘集中。这时，磁场旋涡中心的边缘就形成一个由高速旋转的物质组成的环状吸积盘，磁场旋涡外围的物质不易进入到磁场旋涡中心区，而磁场旋涡中心区的物质又不断地被吸走，于是在磁场旋涡的中心就形成一个负压状态、相对真空的管状区域——黑洞。

黑洞形态

在黑洞磁场强大能量的推动下，被黑洞吞噬的物质相互激烈摩擦而发热，转变为温度极高的等离子体，向四周释放出X射线等各种强烈辐射。当黑洞中心的超高温、超高速物质流向外喷射时，由于受周围环状吸积盘的阻挡不能平行喷射，只能向环状吸积盘中心没有物质阻挡的两极喷射出来，并受磁场斥力助推，在与吸积盘垂直的方向上形成长长的物质喷射柱（如恒星级黑洞和星系级黑洞的超高速粒子喷流及炽热气体喷流）。

黑洞的形态，就像地球上大气运动产生的热带气旋——台风。台风在水平上有三个明显的不同部位：台风眼、云墙区、螺旋云带。台风眼是个直径很小的低气压空心管状区；台风眼外围的云墙区是急速旋转的气流形成的狂风暴雨区域；云墙区外是螺旋云带。在旋涡云团中心区域，即台风眼，由于空气稀薄，气压很低，因此气流不易进入，反而是风平浪静的区域。台风的整体形态与黑洞的整体形态十分相似，螺旋云带就像恒星级黑洞的不可见旋臂和星系的可见旋臂；云墙区就像恒星级黑洞发出高能辐射的环状吸积盘和星系级黑洞中心附近恒星密集的环状区域；台风眼就像神秘的天体——黑洞。

在宇宙中，不同的结构空间会产生质量大小不同的黑洞，可分为恒星级黑洞、星系级黑洞，以及比星系级黑洞更大的黑洞。

恒星级黑洞

恒星级黑洞是由气体尘埃构成的，它的“黑”这一特征是因为构成物质密度非常小，反射可见光的效果非常微弱，而且可见光的传播能力有限，所以用光学望远镜看不见。当恒星级黑洞周围的物质增加到相当大的体积和密度时，就发展成可以通过光学望远镜直接观察到的星球的胚胎——弥漫星云，之后便开始了逐步向恒星演变的进程。恒星级黑洞不是星球演化的最终归宿，而是星球演化的初始阶段。

寻找恒星级黑洞的可行途径是利用一颗恒星与一个黑洞组成的双星系统（如天鹅座X－1），由一个明显可见的明亮星球和一个看不见的天体（从正常星球运行轨道可推断其存在）所组成，通过可见亮星的运行周期、质量来判断恒星级黑洞的存在。我们虽然看不见恒星级黑洞，却能看到恒星级黑洞从亮星吸引出气体，这些气体围绕恒星级黑洞旋转，形成一个圆形吸积盘。这一不可见暗星与可见亮星围绕共同的平动点运转，它的气体吸积盘发出的强烈X射线以及垂直于吸积盘盘面的、方向相反的两股高速气体喷流，就是恒星级黑洞的共同特征。

星系级黑洞

星系级黑洞主要是由恒星等天体构成，因此我们能在可见光的范围内观测到它的旋涡状完整形态，只是无法看到物质密度极其稀薄的星系中心——黑洞。

星系大多是一种旋涡状的形态，巨大无比的物质流从外部朝直径只有几百光年的螺旋体中心聚集旋转，离旋转中心越近，旋转速度越快。几乎所有的星系中心都存在一股气流，它被强大的引力吸入黑洞的漏斗状洞口。当这股气流被完全吸入黑洞前会产生严重电离，进而放射出一股电流。在星系中心周围的区域，恒星运行的速度会明显加快，表明它们正被拉向某种引力巨大的地方，即星系级黑洞。

星系级黑洞隐匿于星系的正中心，多半情况下，它的质量（实际是高速旋转产生的能量）与该星系中所有其他天体的质量之和成正比。根据开普勒定律，气体的旋转速度应与其围绕天体的质量的平方根成正比，与旋转半径的平方根成反比。如果能确定旋转速度和半径，就能求出那个天体的质量（能量）。计算结果是：10亿倍太阳质量的黑洞的半径，只有大约10天文单位。也就是说，星系级黑洞的能量巨大，但区域却很小，与台风眼的形态正相符。科学家对银河系附近的27个星系进行研究取得的初步结果表明，几乎所有星系中心都存在超级黑洞。

更大规模的黑洞

另外，宇宙中除了恒星级黑洞和星系级黑洞外，还有更大规模的黑洞，如星系团、超星系团等的黑洞。科学家曾在牧夫座方向上发现了一个尺度达60′的“巨洞”，其内部星系的密度只有平均密度的1/5。“巨洞”周围存在一些星系密度较高的壁状区域，星系集中分布在壁状区域内，壁状区域中心则是空洞。宇宙中的物质因相同的原理必然会有相同的形态。按黑洞的原理和形态来说，它倒真是一个名副其实的“黑暗磁场旋涡空洞”。