原始新聞
一個(gè)由國(guó)際天文學(xué)家組成的研究組向公眾展示了黑洞吞噬一個(gè)恒星的照片，圖片上的景象非常壯觀?？茖W(xué)家說(shuō)，這顆“倒霉”的恒星在飛進(jìn)一個(gè)黑洞時(shí)，在黑洞巨大的引力作用下變形，被肢解和被黑洞部分地吞沒(méi)了。這個(gè)黑洞位于RXJ1242-11星系中心，距地球七億光年。這個(gè)黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的一億倍。科學(xué)家相信，圖中的恒星與我們的太陽(yáng)差不多大，它在運(yùn)行中受另一顆恒星的影響，“不慎”被黑洞俘獲。
名詞解釋
黑洞這是理論預(yù)言的一種天體，空間的強(qiáng)引力區(qū)域，其脫離速度等于光速，因不會(huì)有光輻射逸出而得名。其基本特征是：具有一個(gè)封閉的視界，外來(lái)的輻射和物質(zhì)可以進(jìn)入視界之內(nèi)，而視界內(nèi)的任何物質(zhì)都不能跑到外面。視界就是黑洞的邊界。觀測(cè)表明，在某些星系的核心可能有質(zhì)量為108-109太陽(yáng)質(zhì)量的大型黑洞。迄今為止還沒(méi)有直接尋找到黑洞。
“黑洞”是根據(jù)廣義相對(duì)論預(yù)言存在的天體，它憑著自身的引力把空間中的一切“禁閉”起來(lái)。黑洞的大小若用質(zhì)量相比較的話，那么具有太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，其半徑只有3公里。黑洞把一切物質(zhì)吸入，連光都不可能逃逸。巨大黑洞的起源之謎直到今天仍包裹在重重迷霧之中。黑洞是如何越變?cè)酱蟮?，巨大黑洞與星系的誕生和演化又具有怎樣的關(guān)系，需要解釋的疑問(wèn)還很多。
釋放千萬(wàn)倍于太陽(yáng)的能量
2004年2月中旬，天文學(xué)家通過(guò)美國(guó)國(guó)家航空航天局的錢(qián)德拉天文望遠(yuǎn)鏡和歐洲的XMM牛頓X射線望遠(yuǎn)鏡分別觀測(cè)和證實(shí)了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的罕見(jiàn)天文現(xiàn)象。黑洞理論雖然形成多年，但是由于黑洞不能被直接觀測(cè)到，所以天文學(xué)界對(duì)黑洞的存在一直處在理論的水平上。這是科學(xué)家首次觀測(cè)到恒星被黑洞肢解的情景，證實(shí)了該理論的正確。而這一特殊天文現(xiàn)象在一個(gè)星系中發(fā)生的概率是1萬(wàn)年一次。
不久前，日本京都大學(xué)的一個(gè)研究小組使用X射線觀測(cè)衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)M82星系內(nèi)的一個(gè)天體，從非常有限的空間發(fā)出大量X射線，這個(gè)天體主要放射3000電子伏特的高能X射線，其光度達(dá)到太陽(yáng)全部光度的千萬(wàn)倍。
為了搞清這個(gè)天體的真實(shí)面目，科學(xué)家立即著手進(jìn)行了反復(fù)達(dá)9次的觀測(cè)，對(duì)可信數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，這個(gè)天體在短短幾天的時(shí)間里，其光度就發(fā)生了幾倍的變化。這個(gè)天體光度的變化情況被美國(guó)麻省理工大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)的科學(xué)家同時(shí)觀測(cè)到。它的光度變化的直接原因目前還無(wú)法確定，但是卻為科學(xué)家了解這一奇異天體的本來(lái)面目，提供了極其珍貴的數(shù)據(jù)，因?yàn)楦鶕?jù)這些數(shù)據(jù)能夠算出這個(gè)天體的大小，它的直徑約為太陽(yáng)與地球距離的數(shù)十倍，也就是說(shuō)，它的大小充其量相當(dāng)于太陽(yáng)系。從如此小的區(qū)域內(nèi)居然能夠釋放出相當(dāng)于太陽(yáng)1000萬(wàn)倍的能量，從現(xiàn)代物理學(xué)可知其惟一的可能就是黑洞。
不可思議的天體———黑洞
“黑洞”是根據(jù)廣義相對(duì)論預(yù)言存在的天體，它憑著自身的引力把空間中的一切“禁閉”起來(lái)。黑洞的大小若用質(zhì)量相比較的話，那么具有太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，其半徑只有3公里。黑洞把一切物質(zhì)吸入，連光都不可能逸出。在北斗七星的旁邊，大熊座的“熊頭”附近，有一個(gè)形狀不倫不類(lèi)的M82星系。直徑達(dá)1200萬(wàn)光年的M82星系，有一條黑色縫隙橫貫其中，所以它得到了一個(gè)“破裂星系”的綽號(hào)。這條黑色縫隙實(shí)際上是一個(gè)由混雜塵埃的氣體構(gòu)成的，而M82星系本身是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“透鏡”型星系。M82星系具有顯著的特征，其中心部位以超過(guò)別的星系數(shù)千倍的速度誕生著新的恒星。最近在被稱(chēng)為“星爆星系”的M82星系中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了待確認(rèn)的奇異天體———黑洞，這在研究宇宙中存在的巨大黑洞起源的時(shí)候，具有極重大的意義。M82星系中的黑洞噴釋出大量能量，這的確是異乎尋常的。
事實(shí)上，當(dāng)物質(zhì)被吸入黑洞的“地平線”下之前，黑洞極強(qiáng)的引力場(chǎng)引起了超高速運(yùn)動(dòng)，因引力下落的能量由于摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?。近幾年，有觀測(cè)報(bào)告說(shuō)在銀河系中心似乎存在巨大黑洞，所謂“巨大黑洞”是指質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)100萬(wàn)倍以上的黑洞。如果存在巨大黑洞，那么在它周?chē)奈镔|(zhì)亦應(yīng)當(dāng)像繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的行星那樣，遵循“開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律”，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡就在NGC4261、寶女座M84星系、寶女座M87星系等星系中心發(fā)現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)的氣體。
星系中黑洞的質(zhì)量
根據(jù)開(kāi)普勒定律，氣體的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)與其圍繞天體的質(zhì)量的平方根成正比，與旋轉(zhuǎn)半徑的平方根成反比。如果能夠確定旋轉(zhuǎn)速度和半徑，就能求出那個(gè)天體的質(zhì)量，NGC4261旋轉(zhuǎn)半徑為300光年以?xún)?nèi)，質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的20億倍；M84星系旋轉(zhuǎn)半徑為30光年以?xún)?nèi)，質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的3億倍；M87星系旋轉(zhuǎn)半徑為15光年以?xún)?nèi)，質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的30億倍。計(jì)算結(jié)果應(yīng)當(dāng)說(shuō)是令人吃驚的！10億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的半徑大約為10天文單位，也就是1光年的一萬(wàn)分之一。所以，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果與黑洞的半徑相比較，還沒(méi)有把握住黑洞的外側(cè)。
迄今為止已知的X射線雙星系統(tǒng)最亮者達(dá)到太陽(yáng)光度的100萬(wàn)倍程度，M82星系發(fā)現(xiàn)的X射線天體在此基礎(chǔ)上又增高了10倍。由此估計(jì)這個(gè)黑洞的質(zhì)量約為太陽(yáng)的460倍到最大為1億倍?？傊@個(gè)黑洞的質(zhì)量很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了太陽(yáng)。這說(shuō)明，在M82星系發(fā)現(xiàn)的是待確認(rèn)的黑洞，而不單純是超新星爆發(fā)后殘存物。
1995年，有關(guān)科學(xué)家與美國(guó)史密森尼安天文臺(tái)合作，使用超長(zhǎng)基線電波干涉儀群觀測(cè)了獵犬座NGC4258星系的中心區(qū)域，發(fā)現(xiàn)在NGC4258星系中心僅0.3光年的區(qū)域內(nèi)，就存在相當(dāng)太陽(yáng)質(zhì)量3600萬(wàn)倍的質(zhì)量，而且獲得了迄今為止最精確的旋轉(zhuǎn)速度。由此，星系中心存在巨大黑洞幾乎轉(zhuǎn)瞬間便具有了可能性。來(lái)自這個(gè)星系中心的X射線發(fā)生了“引力紅移”，這是非黑洞無(wú)法解釋的。
所謂“引力紅移”是在強(qiáng)引力作用下，時(shí)間似乎變慢的可用廣義相對(duì)論解釋的現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中光波長(zhǎng)變長(zhǎng)。這個(gè)現(xiàn)象被確認(rèn)其意義就相當(dāng)于直接觀測(cè)到黑洞?？茖W(xué)家從此得到了巨大黑洞存在的強(qiáng)有力的證據(jù)。
任何星系都存在巨大黑洞嗎？
如果巨大黑洞只是存在于特定的星系的話，那么巨大黑洞可能就是這種特定星系特殊演化的結(jié)果。但是最新的觀測(cè)資料開(kāi)始表明大部分星系的中心都存在巨大黑洞。在宇宙中存在著在一種在相當(dāng)于星系大小一萬(wàn)分之一以下區(qū)域，卻釋放出100個(gè)星系具有的能量的天體，這就是“類(lèi)星體”。這是一種距離我們極其遙遠(yuǎn)的天體，距離近者離地球也有20億光年之遙。從1962年第一個(gè)類(lèi)星體被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，這種天體的真實(shí)面目仍是待揭之謎。圍繞類(lèi)星體巨大能量的來(lái)源，科學(xué)家提出了形形色色的理論和假說(shuō)，而最終具有生命力的是巨大黑洞之說(shuō)。
斗轉(zhuǎn)星移，1997年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡首次觀測(cè)證實(shí)，類(lèi)星體處于星系的中心部位，是星系的核心。在那里極有可能存在巨大黑洞。但是此說(shuō)難圓，迄今發(fā)現(xiàn)的類(lèi)星體大約只有星系數(shù)目的百分之一，僅僅以此為依據(jù)還不能認(rèn)為任何星系都存在巨大黑洞。
科學(xué)家認(rèn)為，巨大黑洞的質(zhì)量必須達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的1000萬(wàn)倍到10億倍的程度。
巨大黑洞如何形成尚無(wú)定論
科學(xué)家認(rèn)為，質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)的黑洞是超新星爆發(fā)的結(jié)果，但是對(duì)于巨大黑洞的起源，目前還沒(méi)有定論。巨大黑洞不能由小黑洞聚合而成，就沒(méi)有突然形成中間質(zhì)量黑洞的途徑了嗎？要存在這種可能關(guān)鍵之處在于是否能把具有太陽(yáng)質(zhì)量100萬(wàn)倍的天體凝縮至0.01光年以下的空間。作為一種可能性，美國(guó)哈佛大學(xué)的科學(xué)家提出了一種新的設(shè)想：在宇宙誕生之初由大質(zhì)量的天體產(chǎn)生了中間質(zhì)量的黑洞?？茖W(xué)家們把這個(gè)過(guò)程用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示，在宇宙誕生30萬(wàn)年時(shí)，大質(zhì)量天體中發(fā)生了電離，大小凝縮至0.01光年以下。此時(shí)，宇宙中澄澈無(wú)比，光能夠通行無(wú)阻。由此產(chǎn)生的黑洞質(zhì)量約為太陽(yáng)的10萬(wàn)倍到100萬(wàn)倍，基本上是在與星系無(wú)關(guān)的空間形成的。
黑洞與星系遭遇，在力學(xué)的摩擦效應(yīng)作用下，黑洞便落入星系的中心。如果落入星系中心的黑洞一年間會(huì)附著一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)的話，1億年后就會(huì)擁有1億倍以上太陽(yáng)質(zhì)量，從而成為巨大黑洞。以類(lèi)星體的能量來(lái)說(shuō)，如此規(guī)模的質(zhì)量附著是必不可少的。但是這種模型也不能完全自圓其說(shuō)?？紤]到一般的宇宙模型，以這種機(jī)理形成的黑洞的數(shù)目比星系的數(shù)目要少得多。因此，在理論上，形成巨大黑洞的確切過(guò)程應(yīng)當(dāng)說(shuō)仍未明了，所以具有中間質(zhì)量、圍繞星系中心旋轉(zhuǎn)的M82星系黑洞，是非常耐人尋味的。關(guān)鍵問(wèn)題在于求出M82星系黑洞的準(zhǔn)確質(zhì)量，并搞清其形成的過(guò)程。這些問(wèn)題的解決對(duì)于揭開(kāi)巨大黑洞之謎，具有決定性的意義。
巨大黑洞的起源之謎直到今天仍包裹在重重迷霧之中。黑洞是如何越變?cè)酱蟮模薮蠛诙磁c星系的誕生和演化又具有怎樣的關(guān)系，需要解釋的疑問(wèn)還很多。
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