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黑洞黑洞是什么？黑洞，广义相对论所预言的一种特殊天体。它的基本特征是具有一个封闭的视界。视界就是黑洞的边界。外来的物质和辐射可以进入视界以内，而机界内的任何物质都不能跑到外面。早在1798年，拉普拉斯曾根据牛顿引力理论预言存在一种类似于黑洞的夭体。的计算结果是，一个直径比太阳大250倍而密度与地球相当的恒星，其引力场足以捕获它所发出的所有光线，而成为暗天体。1939年，奥图默等根据广义相对论证明，一个无压的尘埃球体，在自引力作用下，将能坍缩到它的引力半径的范围以内。引力半径rg=2GM／C2，式中G为万有引力常数，C为光速，M为球体的总质量。当物质球坍缩到半径为rg，这个球体所发射的光线或其他任何粒子，都不能逃到rg球以外，这就形成黑洞。对晚期致密恒星的研究证明，存在一临界质量Mc。当星体质量MMc，在引力坍缩后，它不可能有任何稳定的平衡态，而只能形成黑洞。在形成黑洞以前的恒星物质可以有各种不同的属性。但是，一当形成稳定的黑洞以后，几乎所有属性都不再能被观测到。只要用三个参数就可以完全表征黑洞的性质。这三个参数是：质量M、角动量J和电荷Q。当J=Q=0时，是球对称的史瓦西黑洞；当Q=0时，是轴对称的克尔黑洞。黑洞的一个重要物理参量是它的视界的面积A,其值为（在C＝G=1单位系）：A=8π[M2+M(M2-α2-Q2)1/2-Q2/2]。式中α=J／M。A的基本性质是，在黑洞的演化过程（例如，通过与物质相互作用，或黑洞之间的相互作用冲，它的面积总不减少。这称为面积不减定理。它是物质只能进入黑洞而不能跑出黑洞这一特性的定量表述。面积不减定理，类似于热力学中的孤立系熵不减原理。因此，黑洞的面积相当于黑洞的熵。在这个基础上建立了黑洞热力学。黑洞热力学的一个结论是，黑洞具有一定的温度，其值与黑洞的质量成反比。1974年，霍金证明，如果考虑到黑洞周围空间中的量子涨落，则黑洞的确具有与它的温度相对应的热辐射。计及量子效应后，黑洞不再是完全“黑”的了，它也会发射，甚至出现剧烈的，是相对论天体爆发。寻找黑洞物理学的重要课题。孤立的黑洞难于观测，因此，观测工作着重于在双星体系中证认黑洞。目前，认为最有可能是黑洞．的夭体，是天鹅座X-1。天鹅座X－1是密近双星中的一个星体。它所发射的X射线没有规则的脉冲结构，但却具有短时标的脉动涨落，脉动时标在几毫秒到10秒范围内；它的质量大于5．5太阳质量，大于致密星的临界质量。这些特征都符合黑洞的特性。另外，观测还表明，在椭圆星系M87的核心，可能有质量为9×109太阳质量的大型黑洞。M87的特征是：在核心处有异常的亮度分布，颜色较蓝，弥散速度也较大。这些都与黑洞模型相符合。按照大爆炸宇宙学，在宇宙早期可能形成一些小质量黑洞，一个质量为1015克的黑洞，其空间尺度只有10-13厘米左右（相当于原子核的大小）。小黑洞的温度很高，有很强的发射。有一种模型认为，高能天体物理研究所发现的一些高能爆发过程，也许就是由这些小黑洞的发射及其最终的爆发引起的。黑洞的“缺环”以质量来衡量，已知的黑洞只有两类：很小的和超级巨大的。现在科学家终于找到了它们中间的“缺环”：中等质量的黑洞。这两个在球状星团中央发现的黑洞，表明黑洞的存在比人们想象的更普遍，有助于我们理解星系的形成过程。球状星团是大量恒星密集形成的结构，基本上呈球形。在球状星团里，直径100光年的空间内可能聚集着几万乃至几千万颗恒星，有的恒星非常古老，年龄往往超过100亿年。目前人们在银河系里发现了大约150个球状星团，其中的一个称为M15，它位于飞马座方向，离我们3.2万光年，直径120光年，包含约10万颗恒星。美国马里兰州空间望远镜科学研究所的RoelandvanderMarel等人使用哈勃望远镜观察G1，在它的中央发现了一个约有4,000个太阳质量的黑洞。得克萨斯奥斯丁大学的KarlGebhardt等人则说，他们同样使用哈勃望远镜，观察了位于仙女座星系的球状星团G1，也发现了一个黑洞。仙女座星系M31是离银河系最近的星系。G1球状星团离我们220万光年，包含至少30万颗恒星，总质量超过太阳的1000万倍，在它里面发现的黑洞，质量为太阳的2万倍。以往人们发现的黑洞，要么特别小，要么特别大。小的只有几个太阳质量，那是单颗的大恒星生命结束后爆发、坍缩形成的。大的则盘踞在星系中央，质量为太阳的几百万甚至几十亿倍。新发现的这两个中等黑洞把以上两类黑洞联系了起来，可以提供黑洞和星系形成过程的新线索。人们迄今只在M15和G1两个球状星团里寻找过黑洞，也许就像在星系里一样，黑洞在球状星团里也非常普遍。科学家将继续对其它球状星团进行研究，验证这种想法。一个有趣的事实是，星系中央的巨型黑洞，质量通常为其“宿主”星系的0.5%。新发现的这两个黑洞与其所在的球状星团的质量，也有着类似的比例。这意味着不同质量的黑洞之间可能存在某种根本上的联系。星系中央的巨型黑洞是如何形成的，人们有不同看法。有人认为是先有星系，然后黑洞在其中央形成，消耗大量物质。也有人认为是先有黑洞，它强大的引力把周围的恒星拉向自己，聚集形成星系，自己也吞食物质逐渐生长，这种方式允许一个很小的黑洞发展得非常大。这两个中等质量黑洞的发现，使后一种说法可信度提高了。黑洞的观测既然黑洞能有放射电磁波的能力，我們是否可以在宇宙中观測这一个现象來发现黑洞？可惜并不这么容易。一个跟太陽一樣重的黑洞它所辐射出來的电磁波的溫度只有絕對溫度的千萬分之一度，現在宇宙中遍布的宇宙背景辐射就已經有絕對溫度3度，加上宇宙中的射线來源很多，根本不易分辨哪一个是黑洞辐射出來的射线。但是，我們还可以利用黑洞末期的大放射來找尋黑洞，因為黑洞在生命終期會爆发出大量的高能伽瑪射线，如果我們以地球的大气作为探測器，當高能伽瑪射线穿透大氣時會產生電子正电子爆，它們在大氣中旅行的速度比大氣中的光速還快（因为光与空氣分子相互作用速度就減慢了下來，真空中的光速就变为最快的了）。这样子会产生一种电磁场中的衝擊波，叫做切倫柯夫辐射，會以可見光的形式閃爍，和美丽的极光有点相似，在地面就可以观測的到。當然也存在許多其他現象，如閃電或是在地球軌道上的碎片反射的太陽光，都能在天空發出閃光。但是可在兩個或更多的相隔很遠的地點同時觀察這類閃光，將伽瑪射线爆從以上所說的現象中辨識出來。兩位都柏林的科學家奈爾。波特和特勒伏。威克斯就利用阿歷桑那州的望遠鏡進行了這類的探索。他們找到了一些閃光，但很可惜的，沒有一個可以確認為是從迷你黑洞來的伽瑪射线爆。總之，在宇宙初期所誕生的迷你黑洞質量極小，溫度比一般的黑洞還高，輻射電磁波的速率也比較快，一般黑洞質量如太陽大的需要1066年才能蒸發消失，質量有10億噸的迷你黑洞的壽命則大約和現今宇宙的年齡相同，比這質量小的從宇宙初創時到現在可能已經全部蒸發消失。當然，一定有比這質量大的迷你黑洞出現，所以說現在的宇宙中一定存在著宇宙初期就出現的迷你黑洞，繼續輻射著電磁波，但是以蒸發理論來說，它們現在的質量應該已經相當小，所以已經步入黑洞老年期，輻射的溫度也相當高，據說有一萬兆瓦的功率，如此璀璨根本不符黑洞這個名稱，不過這麼高的輻射量也只是加速它走向終期之前我們說過現在存在的迷你黑洞的數量已經相當稀少了。原因是科學家先假設在每立方光年平均有300個以上的迷你黑洞，則它們所發射的伽瑪射線的強度應該會隨頻率而做某種變化。但研究的結果卻告訴我們，在宇宙中每立方光年不可能平均有300個以上的迷你黑洞。這表示迷你黑洞最多只構成宇宙中百萬分之一的物質。雖然它的數量稀少，但是它是宇宙間黑暗物質的候選人之一，因為它符合了黑暗物質的一些性質，黑且質量重，所以科學家希望能在星系旋臂間的黑暗地區找尋看看它的蹤跡，據說黑暗物質就是藏身於那，才使得有些星系的中央形狀為圓形。只是要製作一台這樣的探測器成本相當高，效果還不一定顯著，所以沒有人敢出這樣的經費。即使對迷你黑洞的探索實在是沒有任何進展，但我們仍然獲得一些關於早期宇宙的重要訊息：如果早期宇宙是紊亂無規律的，或者物質間的壓力很低，科學家預估這會使得宇宙初期的迷你黑洞的密度比現在研究宇宙間的伽瑪射線後得知的初始密度更高。所以只有當早期宇宙是非常光滑和均勻的，並且有很高的壓力，才能解釋為什麼現在不容易觀測到迷你黑洞的蹤跡，也算是小有成果。既然远观不成，科學家們就想到可以自己製造一個來玩玩啊；為了觀察黑洞的行為，科學家最近正在考慮用加速器來製造迷你黑洞的可能性。因為他們認為現在在瑞士日內瓦製造的加速器LHC可以用強作用力在1019GeV的情形下來創造黑洞。Stanford大學的SavasDimopoulos跟BrownUniversity的GregLandsberg表示，經由質子質子對撞所產生黑洞的機會大約是產生頂夸克機率的十分之一以下，產生的速度大約是一秒鐘一個。不過這種方式產生的黑洞的生命相當短，而且一樣會以輻射爆發的方式蒸發掉。但是根據最後所爆發出來的輻射的形式，科學家將可以了解其他空間維度可能存在的方式。不過有人關心會不會這個小黑洞也把我們給吃掉呢？科學家表示，這個黑洞存在的時間大約是10-17秒，應該還來不及吸收物質就已經蒸發掉了吞食星系物质黑洞越来越重英国天文学家首次找到直接证据表明，盘踞在星系中央的黑洞，通过吞食气体和恒星而变得越来越重。这是诺丁汉大学和伯明翰大学的天文学家对多个星系的年龄进行比较研究后得出的结论。有关研究结果将发表在4月份出版的英国皇家天文学会《每月通告》上。诺丁汉大学的迈克尔·梅里菲尔德教授等人对23个星系进行了研究，通过分析星系发出的光来判断其年龄。结果发现，这23个星系年龄差距较大，有的仅40亿岁，比地球还要年轻，有的则已经120亿岁，几乎与宇宙一样古老。年轻的星系中央的黑洞质量相对较小，而年老星系里的黑洞就要重得多。研究人员据此认为，较小的黑洞不断吞食星系物质，从而越来越“胖”。黑洞是一种体积极小、质量极大的天体。由于质量巨大，黑洞拥有极强的引力，连光也无法从中逃逸。假如你跳进黑洞设想在第一艘飞船上如果有两艘宇宙飞船在空间一前一后驶向一个旋转的黑洞，第一艘飞船准备勇敢地牺牲自己，而你在第二艘飞船观察它的“表演”，你将会看到怎样的情景呢？观察者是一位“智能”机器人，在接近视界，即到达有去无回点的黑洞边界时，机器人宇航员走出飞船去迎接死亡。他将被黑洞最近部位极强的引力吸引碎成两半，然后在刚接近时空突然消失的奇点(黑洞中心)时就毫无察觉地被吞没了，飞船也在被吞没前被强大的引力撕得粉碎。这个引力有多大呢？对一个质量与太阳相当的黑洞而言，一个2米高的人在通过它的视界时必须承受相当于地球表面10亿倍的重力加速度。为了不落入黑洞，你必须借助足够大的发动机的推力将飞船停靠在安全距离内或围绕黑洞飞行。在你看来，准备牺牲的飞船似乎用了无穷尽的时间接近黑洞，而且飞船的速度越来越慢，同时改变了颜色，但在你能够看到飞船处于静止之前，飞船就从眼中消失了。之所以产生这种现象，是因为根据相对论，时间的流逝取决于观察者的速度。这次黑洞之旅我们看到，一个旋转的黑洞就像一个旋转的中间有孔的圆盘。它有两层界面，里面的一层即为视界，外面的一层则被称为“静止界限”或无限红移面。在这两个界面之间的是一个特殊的区域，称为“能层”。在静止界限上，时间被“冻结”，辐射被无限地红移，飞船停留在一个固定点上，飞船上的机器人宇航员看到的星空将不再变化，而黑洞则在他的脚下急速旋转。如果越过静止界限，进人能层，飞船将被拖人旋转的运动。能层有一个令人惊奇的特性，玉如英国数学家罗杰·彭罗塞(RogerPenrose)指出的那样，进入其中的物体的能量可以变成负值。我们不妨将这个物体想像成一个负有能量债务的人，当黑洞俘获这个物体时，黑洞的能量不是增多而是减少了，因为黑洞必须“偿还”它的猎物欠下的能量债务。黑洞最后的命运：大爆炸在黑洞不断增大的假设中，黑洞的生命永远不会停止。但有一个预示性的停止，正是由同一位霍金做出的，他把黑洞比作一个不断充气的气球。1976年，霍金在《自然》杂志上发表文章指出，黑洞会不断蒸发直到最后爆炸而消失。今天这种理论