输入黑洞的“表层”_中子星论文

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剑桥大学的李斯(R.M.Rees)说,“我们已找到了没有硬表面的塌缩天体,这正吻合对黑洞的描述,就我们所知,这不可能是其他别的东西。”天文学家还发现吸食气体的天体,这些气体最终完全消失于宇宙;他们甚至还研究了在这个最终深渊边上踉跄着的物质。

至少有二种黑洞,一种是小的,有一个普通恒星绕着它运动;另一种是大的,它们潜伏在星系中心。牛津大学的查利斯(P.Charles)是一位著名的黑洞猎手,他善于追捕恒星级的小黑洞。这类量级的黑洞,是当特别重的恒星(10倍于太阳)以超新星的爆发终其一生时产生的。原恒星的外层被掀入四周空间,而其星核在其自身巨大引力的拉压下塌缩,使自身掉入无限深的引力井。新生黑洞的边,即所谓视界,是进入黑洞单向道的开始,气体甚至光也只有一种走向:向内,走向湮没。

寻找黑洞的传统方法是探查甚密实天体,它们的引力场强烈到难以置信。查氏说,这里的问题是如何去辨别中子星和黑洞。中子星的生成也跟黑洞一样,但其前恒星小于10倍太阳,当其星核塌缩时,挤压着其中的全部物质,直至它们变成中子,最终留下一个微小而密实的星体,其尺寸有如伦敦中心区域。

那么如何去分辨它们?理论上,中子星不可能重于3个太阳,故任何大于这个限量的多半是黑洞。要评估这个天体,还可观测其行为。天空中2/3的恒星皆结成对,双星系中的引力平衡,为识别致密天体提供了一个自然标准。

这个原理把许多超过3个太阳的潜在黑洞突显出来。例如V404天鹅座含有一个略小于太阳的恒星,因引力影响,它绕行着一个12倍太阳质量(误差不过2个太阳质量)的致密天体,故它是一个最可信的恒星级黑洞的候选者;还有其他6个黑洞候选天体,也将通过精确的观测;查氏本人提出的新星Scorpii 1994,也是一个理论家需认真对待的天体(候选黑洞)。

但一些天文学家指出,某些天体质量远超过中子星,可是不见得必为黑洞,究为何因?迄今尚不知情。而哈佛斯密苏宁天体物理中心的纳雷阳(E.R.Narayan),据其拥有的明确证据,相信这些天体是黑洞。

纳氏和其同事研究了伴星气体被密实天体吸入的情况。致密天体周围的气体形成一个薄盘(吸积盘),看上去很像土星环。在盘中,气体因摩擦而丧失能量,就慢慢地向盘内层旋入,结果盘内层变得越来越热。

盘外层辐射出可见光波段的能量,内层因高温而射出更高能的X射线。可是一些双星系明显地缺乏X-射线辐射。据盘外层的亮度,估计注入盘的气体为万亿分之几个太阳质量(每年),如此量值的气体流入盘内层,应辐射出比我们看到的X-辐射更亮得多。故其中必有问题。

以后纳氏把这些系统分成二类:一般的X-射线辐射源和低亮度X-射线源。进而发现,一般的系统总是含有一个中子星,而暗X-射线源多半含有黑洞。据他的观测数据,有5个含中子星的系统,6个可能含黑洞的系统。

纳氏找到一种辨别二者的简单方法。由于盘是在保持其能量而非让其辐射出去,若致密天体是中子星,盘的能量最终将在其气体撞击中子星表面的一次暴发中释放;黑洞因无表面,能量穿过视界(黑洞的边)入内,就永远无法再到黑洞以外的世界。故这些双星系的昏暗X-射线输出,正是这些天体完全吞没了(盘中的)物质和能量的一个直接证据,这也是判别黑洞的关键标准。

这跟传统理论有明显的差异。当伴星气体缓慢地流出时,它们不可能形成一般的薄盘,若如此则在这些气体到达盘的内层之前,内层就已发热而辐射出能量。这样不论是中子星和黑洞的盘都将同样地明亮。故气体将形成的是一个稀疏的球,并从各个方向流入黑洞,而球中的物质要比盘中的稀薄得多,而原先(按盘模型)以X-射线辐射出的能量,现在却向内流入,此称“平流型吸积流”。故按纳氏理论,围绕黑洞的将是一个吸积球而非盘。

目前在天文界,平流理论已成为一个棘手的问题。累斯特大学的金(A.King),几年来一直在研究吸积盘。他认为纳氏理论的前提就有缺陷。金相信在盘形成之时,只有很少一点的X-射线辐射,这是因为输入的气体被储存在盘中,就像是一个蓄水库;最终水坝破裂,X-射线将刹那暴出。纳氏不以为然,他说这个水坝是如此不漏水吗?即使是0.01%的气体从盘的外层漏入中心,也将辐射出比我们实际测量到的、亮得多的X-射线暴。

金相信他的薄盘模型含有黑洞的明显证据。若气体流向一颗中子星,出自星表面的明亮辐射将使得气体发热,并缓慢地流动。事实上,中子星系统确在X-射线波段上有一平稳辐射。今以黑洞取代中子星,据理论,一个冷的盘是不稳定的,气体将大团、大团地落入黑洞。而金发现,被怀疑的黑洞系统,确有巨大的X-射线暴。

另方面,纳氏相信他的模型能解释超大质量(几百个太阳)黑洞的难题。这类黑洞被认为藏在星系的中心,许多人猜测我们银河系中心正躺着这类黑洞。

银河系中心以其射电源为特征,它具有围绕黑洞的高能气体的全部记印,但它在别的波段上,辐射却十分暗弱。若按黑洞吞食的气体量来看,则其辐射要比理论预言的暗上成百上千倍。

但平流型模型却预言出一个完全不同的辐射谱,上个月在日本广岛召开的国际天文协会的会议上,纳氏提出的计算结果,完全符合对星系中心的观测。计算假定平流型模型中的黑洞为2~3百万个太阳,它每年吞食的气体为百万分之几的太阳质量。

碰巧一批使用南欧天文台新技术望远镜的天文学家,也正在观测我们银河中心的那个天体。他们历时几年的测量,揭示出一些星球是如何横穿天空的。

把这些探测结果综合起来,马克·普朗克地外物理研究所的吉粹(R.Genzel)和其同事,模拟出了恒星通过空间的三维运动,精确地跟踪了它们穿越的引力场。最终表明,这些星球受到了一个2.5百万太阳质量的密实天体的引力影响。这跟纳氏的模型吻合得很好。

除了我们银河,其他星系也有超大质量的黑洞存在的证据。纳氏模型认为,M87星系巨人有一个700万太阳质量的黑洞。1997年,英天文学家首先探测到这一可能的黑洞,它喷出一个长达几千光年的明亮的电子喷流。M87充满着稀薄气体,它们逐渐冷却而流入中心。几年前,剑桥大学的法并(A.Fabian)指出,若这些气体确流入中心黑洞,那么它们应成为一个明亮的X-射线源,但实际上X-射线辐射却十分暗弱。

纳氏将其平流型模型应用于M87和其他可能潜伏着黑洞的星系,结果与它们的暗弱X-射线输出相吻合。他认为气体不断落入(中心)并形成一个球体,而不是一个盘。黑洞则吞食球体所超过的能量。他说,“我相信,所有的星系都有黑洞,而其中99%具有平流型活动。”

法氏目前正关注辐射暴,那是气体在流入黑洞的点上时发出的。他利用X-射线卫星ASCA,一直在观测星系MCG-6-30-15中的X-射线暴。气体中的铁原子产生6.4KeV能量的X-射线,在星系暴出现时,这一辐射散布在很宽的一个波段上。很明显,气体是在一个旋转着的盘中。

据此,法氏正进一步探测黑洞本身的结构,即观测那些来自仅为20倍视界半径(即史瓦西半径)处的辐射。在如此深的引力井中的物质,铁谱线被移到很低的能量上,说明辐射正挣扎着向外逃逸。

真正惊人的现象出现在暴消失之时,法氏说,此时X-射线已红移到很低的能量上。若黑洞是不旋转的。围着黑洞的气体盘的内边,是处在6倍史瓦西半径之处,再接近黑洞,盘就不能稳定,气体势必汹涌地落入黑洞。但据法氏测得的铁谱线红移的程度来看,这一辐射甚至来自更深的引力井。这有可能吗?

唯一的可能答案,这是一个旋转黑洞,即所谓克尔黑洞(这是克尔于60年代从理论中推导出的结论,故冠以其名。)一个克尔黑洞在自转中,将拖着它周围近旁的空间。这意味着,盘的最内层将进一步贴近视界。在此般轨道中的气体能辐射出极端红移的X-射线,它也正是法氏所测得的辐射。他看到了气体在消失于宇宙之前的“垂死尖叫”状。

查氏则从别的途径去探测气体落入黑洞时的阵痛。他观测我们银河系中的恒星级黑洞,他借希望于NASA的X-射线计时开拓者卫星,它能检测出气体1毫秒1毫秒地发出的尖叫,那是它急落黑洞发出X-射线暴时的情景。此卫星在空间已运行2年了,但天不作美,在这段时期内,没有一个被选定的黑洞系统出现暴发。查氏预言,“若出现这一情况,它将真正地成为头条新闻。”

把法氏的成果结合起来,也并非正好是强引力和(黑洞)缺乏一个表面的证据。这倒是一条途径,以验证这个引力井是否跟爱氏的引力理论相符。例如,来自落入气体的辐射暴之细节,是否能揭示出,在黑洞近旁的强引力场中时间真的在变慢。

李氏相信,验证这些预言,必将是一个关键性的探测。爱氏所预言的黑洞是一个没有表面的致密天体吗?或者,还会探测到一些我们梦想不到的东西。

这是一个令人兴奋的前景,看来,最终天文学家将真的捕捉到黑洞。正如查氏所说,“几年来,我们一直在剥去蒙住X-射线双星系神秘活动的外衣,而今我们正开始在剥视界本身的表面。”

[New Scientist,1997年9月6日]

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