茫茫宇宙，我們去哪兒尋找神秘的「黑洞」？

撰文/吳學兵 左文文

本文節選自《知識就是力量》雜誌

黑洞，也許是宇宙中最神奇的天體，因為連光都無法逃脫它的引力。從宇宙漏斗到時空穿梭機，在它身上似乎只有你想像不到的，沒有它做不到的。於是，大家無不為對它著迷神往。那麼，黑洞在哪裡？茫茫宇宙中，我們又該去哪兒尋找這些神秘的「黑洞精靈」呢？

黑洞是怎麼被發現的？

200多年前，英國的米歇爾和法國的拉普拉斯就曾提出：一個質量足夠大但體積足夠小的緻密恆星會產生強大的引力場，以至於連光線都不能從其表面逃逸，因此它對我們來說是完全「黑」的。但這一推論隨後就被人遺忘，因為其所用的牛頓理論解決不了引力對光的作用問題。

1915年愛因斯坦發表廣義相對論不久，德國數學家史瓦西在靜態和球對稱假設下得到了愛因斯坦場方程的解，解在一個特殊半徑（後稱史瓦西半徑）處存在奇異性。

1939年，美國物理學家奧本海默等進一步用相對論證明確實存在一個「時間-空間」區域，光都不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者。這一區域的邊界被稱為視界，在靜態球對稱的情況下，視界半徑就是史瓦西半徑。如果某天體的半徑小於史瓦西半徑，那麼該天體就應該是「黑」的，它自身無法被我們看到。物理學家們把這些非常緻密、引力大而「看不到」的天體稱之為「黑洞」。

迄今發現的最小黑洞，質量為太陽的3.8倍

如何尋找黑洞？

雖然黑洞自身的確是「黑」的，但宇宙中的黑洞卻不是無跡可尋的，黑洞可通過強大引力吸積附近的物質在它周圍發光。這使得天文學家可以通過觀測黑洞周圍的物質來發現黑洞，並測量它最重要的物理參數——質量。

天文學家的確已發現了許多不是黑洞的緻密天體，如白矮星和中子星，它們是恆星演化到晚期時的產物，且都有一個質量上限，分別為1.4倍和3.2倍的太陽質量。如果在恆星演化晚期，能形成比中子星質量更大的緻密天體，那它就可能是黑洞了。

我們銀河系中一半以上的恆星都有伴星，即位於雙星系統中。當雙星系統演化時，其中一顆大質量的恆星在經歷超新星爆發後會形成緻密天體，它強大的引力會吸積從另一顆星流過來的物質，這些物質以螺旋狀的軌道向里快速運動，並且變得非常熱而在緻密天體周圍發出X射線光。天文學家通過分析這些X射線雙星的觀測數據，可計算出其中緻密天體的質量。

科學家對銀河系內的一個緻密X射線源天鵝座X-1的計算表明，其不可見緻密天體的質量大約是太陽質量的10倍，因此它不可能是白矮星或中子星，只可能是一個黑洞。目前在銀河系中已發現20多顆類似天鵝座X-1這樣的黑洞X射線雙星，它們的黑洞質量大約是太陽質量的4~20倍。所以，我們可以在X射線雙星系統中、星團的中心或星系的核心去尋找黑洞。

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