“黑洞”非常容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”,其实不然。所谓“黑洞”,就是这样一种天体:它的引力场是如此之强,以至于连光也不能逃脱出来。而《辞海》中则对黑洞作了如下的解释: “广义相对论所预言的一种天体。其边界是一个封闭的视界面。外来的物质能进入视界,而视界内物质却不能逃出去,远处的观察者无法看到来自黑洞内部的辐射。”
根据广义相对论,引力场将使时空弯曲。当恒星的体积非常大时,它的引力场对时空几乎没什么影响,从恒星表面上某一点发的光可以朝任何一个方向沿直线射出。而恒星的半径越小,它对周围的时空弯曲作用就越大,朝某些角度发出的光就会沿着弯曲空问返回恒星表面。
等恒星的半径小到某一特定值(天文学上叫“史瓦西半径”)时,那么就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时,恒星就变成了黑洞。说它“黑”,是指它就如同宇宙中的无底洞,不管什么物质一旦掉进去,“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的,等一会儿我们就会讲到。
那么,黑洞是如何形成的呢?其实,跟白矮星和中子星一样,黑洞很可能也是由恒星演化而来的。
科学家们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢),由中心产生的能量已经不多了。这样一来,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。因而在外壳的重压之下,核心开始坍缩,直到最后形成体积小、密度大的星体,而重新有能力与压力平衡。
质量小一些的恒星通常会演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算,中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。要是超过了这个值,那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了,于是会引发另一次大坍缩。
根据科学家的猜想,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径如果收缩到一定程度(史瓦西半径),正如我们上面介绍的那样,巨大的引力就使得哪怕是光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”也就诞生了。
与其他的天体相比,黑洞是显得太特殊了。例如,黑洞有“隐身术”,人们无法直接观察到它,连科学家都只可以对它内部结构提出各种猜想。那么,黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢?答案就是——弯曲的空间。我们都清楚,光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。然而根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲。这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播,可是其走的已经不是直线,而是曲线。形象地讲,好像光本来是要走直线的,但是强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。
在地球上,因为引力场作用很小,这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围,空间的这种变形非常大。这样一来,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以.我们能够毫不费力地观察到黑洞背面的星空,就如同黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术。
更有趣的是,有些恒星不仅是朝着地球发出的光可以直接到达地球,它朝其他方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而最后到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时可以看到它的侧面、甚至后背!
历史上,法国力学家拉普拉斯曾预言过其存在,然而可惜的是,拉普拉斯生活的年代没有相对论,但是他的结果却与实际出入很小。原因在于他在计算时犯下两个错误,而凑巧的是这两个错误恰好可以相互抵消。相对论提出之后,对黑洞的研究便进入了一个全新的时代。
“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。大量科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着,新的理论也不断地提出。然而,这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语就可以说清楚的。