宇宙中的黑洞①

翁山杉

(南京师范大学物理与科学技术学院，江苏 南京 210023)

根据广义相对论，黑洞是指一个具有极强引力势的时空区域，在时空区域边界(视界面)以内的任何物质，甚至包括电磁波辐射，都无法逃逸出来。理论上对黑洞质量并没有任何限制，只要物质分布在足够小的空间内(视界面)即可。由于黑洞本身并不产生电磁波辐射，因此在很长的一段时间里，黑洞只是一个数学、物理概念。随着天文观测技术的发展，人们在银河系及近邻星系中的双星系统内找到了一些恒星级黑洞(质量和普通恒星的质量相当)存在的证据，同时一些观测也表明：在大部分星系中心存在着超大质量黑洞(质量大于一百万倍的太阳质量)。本文重点介绍这两类黑洞存在的观测证据，同时讨论不同质量黑洞存在的可能性。

1 恒星级黑洞

根据恒星演化理论，星系介质由于引力作用塌缩，密度、温度上升达到一定条件，发生核聚变，发光、发热阻止物质进一步塌缩，形成恒星。在恒星演化晚期，物质核燃烧变弱,产生超新星爆炸，中心物质可能会在引力作用下迅速塌缩形成中子星或恒星级黑洞。黑洞本身并不产生电磁波辐射，但如果一个黑洞和一个普通/演化晚期的恒星相互绕转，则会形成双星系统，恒星通过洛希瓣或者星风形式损失物质。当这些物质被黑洞捕获，吸积物质的引力势能转换成明亮的X射线辐射。通过监测银河系中X射线源的光变，人们已经发现数百颗X射线双星。对其中一部分源，通过分析电磁波辐射的周期性变化，还能测出X射线双星的轨道参数以及伴星的质量，并由此可以测出致密天体的质量。根据量子力学，当致密天体超过太阳质量2～3倍时，其简并压将无法抵抗引力，不可避免地塌缩形成黑洞。如果测量得到的致密天体质量超过3倍太阳质量，就可认为该天体为黑洞。

运用动力学方法，目前人们已经确认了近30个黑洞(X射线双星)，它们的质量为3～20倍的太阳质量，这符合我们对恒星演化理论的预期。理论上恒星质量存在一个上限，最终演化形成的黑洞质量上限约为20～30倍的太阳质量。3倍太阳质量的下限是因为目前还无法完全排除大质量中子星的存在，但也有人认为没有探测到2～3倍的太阳质量黑洞和采用的探测方法有关。此外，理论上预期银河系中至少存在108～109个黑洞，这比目前所探测得到的黑洞数目大好几个量级。这其中一个主要原因是我们探测黑洞方法所致，即我们只能探测正在吸积伴星物质、能产生明亮X射线辐射的双星系统，进而判断其中是否存在黑洞。但更大一部分黑洞并不吸积物质，利用传统的方法也就无法搜寻到它们的踪迹。

目前，人们也开始着手利用其他方法来找寻黑洞。比如，对双星系统中的普通恒星进行长期监测，分析恒星质量、演化状态以及轨道周期，进而推测黑洞存在的可能性。这种方法和传统的在X射线双星中找黑洞的方法类似，都是动力学方法。但不同的是，这些系统中的黑洞并不吸积伴星物质，用来分析轨道周期的电磁波信号来自普通恒星而不是吸积盘辐射。由于银河系中的普通恒星数以百亿计，利用这种方法寻找黑洞工作量更大、更困难，但也有望找到更多恒星级黑洞。例如最近国家天文台刘继峰研究员所带领的团队，就利用该方法找到了目前已知质量最大的恒星级黑洞——LB-1，它的质量达到70倍太阳质量。

此外，令人振奋的是，美国的激光干涉引力波天文台在2015年首次探测到双黑洞并合的引力波信号，这是从理论上确定了广义相对论的正确性，同时给出黑洞存在的又一观测证据。至今，已经探测到十余例引力波事件，其中黑洞质量普遍高于X射线双星中的黑洞质量，对于这些质量较大(30～80倍的太阳质量)的恒星级黑洞的形成，目前还存在很大争议。

2 超大质量黑洞

超大质量黑洞是指星系中心可能存在的质量超过百万倍太阳质量的黑洞，它的提出最早是为了解决类星体的能源问题。早在上世纪60年代，人们首次发现类星体，它们是一些非常明亮、致密的天体。其极高的辐射能量无法用恒星核聚变来解释，人们首先想到的是，在这些星系中心存在着一个超大质量黑洞，黑洞通过吸积周围物质产生观测到的电磁波辐射，之后越来越多的观测也验证了超大质量黑洞的吸积图像。

从1995年开始，利用最先进的Keck光学望远镜对银河系中心的一批恒星S2 Star,进行了20余年的监测，发现它们围绕着共同的中心进行绕转(如图1)。其中最短的轨道周期只有11.5年，目前监测已覆盖了两个轨道周期。通过分析这些恒星的运动轨迹，可以计算出在中心不到1光天的区域内存在着超过百万倍太阳质量的物质，而超大质量黑洞是唯一可能的解释，这是目前超大质量黑洞存在的最强证据之一，最新对银河系中心黑洞质量的估计是400万倍的太阳质量。

图1 Keck望远镜对银河系中心的一批恒星进行长期监测，发现这些恒星围绕共同的中心(超大质量黑洞)进行绕转，图片由UCLA Galactic Center Group提供。

2019年最大的天文事件莫过于科学家利用事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)对距离地球5300万光年的M87星系中心的黑洞进行拍照，发现中心存在带有自旋的超大质量黑洞(如图2)，这也是人们获得的第一张黑洞的相片。相片中心的暗弱区域是黑洞所在位置，阴影区域大约是黑洞视界面的2.5倍，正比于黑洞质量。周围的明亮区域是黑洞吸积周围热气体所产生的辐射，是人们所获得的最靠近黑洞视界面的电磁波(毫米波)辐射信息。从图2中还能看出这个明亮区域上下不对称，这是由M87中心黑洞自旋所决定的。通过仔细分析黑洞相片的信息，再一次表明了广义相对论的正确性。目前，科学家还对银河系中心的超大质量黑洞，以及一个类星体3C 279进行拍照分析，对广义相对论做进一步的检验。

图2 事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)所拍摄M87星系中心黑洞的相片，图片由欧洲南方天文台提供。

除了分析银河系中心黑洞周围的引力场，以及超大质量黑洞周边的电磁波辐射，直接探测超大质量黑洞的引力波辐射也在紧锣密鼓地进行中。美国国家航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)提出了利用激光干涉空间天线(Laser Interferometer Space Antenna，LISA)探测引力波的计划，该项目将在空间放置三个相同的探测器，构成边长为500万千米的等边三角形(干涉臂)。目前已有成功探测到引力波的LIGO以及VIRGO项目，可探测较高频(10～103Hz)的引力波信号，主要来自双致密天体的并合。而LISA工作频段更低(10-4～10-2Hz)，它的主要探测目标之一就是星系中心两个超大质量黑洞的并合事件，我们也希望LISA在将来能够获得超大质量黑洞存在的观测证据。

3 总结和讨论

目前人们普遍接受上文所列黑洞观测证据，认可恒星级黑洞以及超大质量黑洞的存在，并且对于恒星级黑洞的形成也有很好的理论支持。但只要稍微细心一点就会发现，这两类黑洞之间还存在一个质量空缺，也就是质量在100～106倍太阳质量范围的黑洞——中等质量黑洞。寻找这类黑洞的重要性不仅仅在于其自身的存在性，更在于帮助我们理解大质量恒星以及不同质量黑洞的形成演化，比如星系中心超大质量黑洞的形成。目前，有些观测表明：在矮星系中心以及星系中的极亮X射线源内存在这类中等质量黑洞，但仍缺乏一锤定音的证据。

此外，一些学者认为在宇宙早期由于密度涨落、引力不稳定性，物质可直接坍缩形成黑洞。这些黑洞也被称之为原初黑洞，它们的质量分布较广，也可能有一些相应的观测效应。例如，霍金辐射理论认为，黑洞不仅能够吞噬周围的物质和辐射，也可以通过霍金辐射损失质量，对于质量较小的原初黑洞来说，霍金辐射效应更明显。有宇宙学理论认为：观测上所需的暗物质一部分就是原初黑洞。原初黑洞还被用来解释上文所提的大质量恒星级黑洞(30～100倍太阳质量)，甚至有人用原初黑洞来解释太阳系中“时隐时现”的第九大行星。但目前这些观点都仅仅是猜测，需要更多的观测检验。