黑洞

黑洞是怎樣形成的呢？

其實，跟白矮星和中子星一樣，黑洞也很可能由�甯P演化而來。質量小一些的�甯P主要演化成白矮星，比較大的�甯P則有可能形成中子星。而根據科學家的計算，中子星的總質量不能大於三倍太陽的質量。如果超過了這個值，那�炳N再沒有什�洶O能與自身重力相抗衡了，從而引發另一次大坍縮。根據科學家的猜想，物質將不可阻擋地向中心點進軍，直至成爲一個體積爲零、密度爲無限大的“點”。而當它的半徑一旦縮到一定程度（史瓦西半徑），巨大的引力就使得光也無法向外射出，從而切斷了�甯P與外界的一切聯繫——“黑洞”誕生了。

什麼是黑洞?

“黑洞”很容易讓人望文生義地想象成一個大黑窟窿，其實不然。所謂“黑洞”，就是一種天體：它的引力場是如此之強，就連光也不能逃脫出來。

黑洞的壽命?

由霍金依據量子力學所揭示的微型黑洞的基本特徵，即以黑體輻射形式的質量蒸發，看來才是探測這類黑洞的主要希望之所在。
    密度漲落理論表明，低質量黑洞只能在宇宙早期形成，而黑洞的質量越小，蒸發得就越快（黑洞的壽命與其質量的立方成正比）。質量爲1噸的黑洞會在10’‘秒內蒸發光，而質量爲100萬噸的黑洞則能存在10年。只有那些壽命比宇宙年齡（150億年）長的微型黑洞才能維持到今天，這些黑洞的初始質量最少得有10億噸，這大約是一座山的質量，而黑洞半徑只有10－‘’釐米，同質子一樣。
    質量更大的黑洞的蒸發時間就比宇宙年齡要長得多，例如，IM黑洞的壽命大約是10“年。這個巨大的數位並不出人意外，因爲蒸發是一種量於現象，只發生在與基本粒子直徑相當的極小尺度上。因此，對於那些質量比一座山大的黑洞來說，蒸發是完全無關緊要的，無論這些黑洞是在宇宙早期形成的還是後來在超新星爆發時形成的。實際上，大黑洞質量增大的速率超過蒸發的速率。現在的問題是，目前正在蒸發的黑洞應當有多大的初始質量。
    要回答這個問題，首先要明白，黑洞並不是存在于完全的真空�堙A而是處在具有一定能量的媒介物質之中。介質的能量至少等於作爲原初大爆炸遺�[的宇宙微波背景輻射的能量。這個宇宙“浴池”的溫度是開氏27度。按照熱力學定律，那些今天仍存在的原初黑洞中，只有質量小於10’‘克的（相當於月亮的質量，而半徑只有0．l毫米）才能有高於開氏27度的溫度，因而才能蒸發，把能量給予周圍介質；而質量更大的黑洞則只會吸收宇宙能量而增大自己的尺度。總之，質量小於礦5克的黑洞已經蒸發掉了，質量在1015克到1026克之間的黑洞現在正在蒸發，而質量在1026克以上的，包括由�甯P演化形成的“第二代”黑洞，則都正在增大。

最初的黑洞

讓我們返回到宇宙的極爲遙遠的過去，即150億年以前。剛剛形成的宇宙並不是一 種均勻平靜的“湯”，由於微小漲落的激發，物質在自身引力作用下趨於聚集成團塊。 但是，像爐子�堛熙J糕一樣，宇宙由於大爆炸的力量而在膨脹。這種總體膨脹與局域凝 聚之間的對立是當代物理學最大的問題之一：某些團塊究竟是怎�炸o展成星系的呢？似 乎宇宙的膨脹終究應該足以阻止局域的凝聚，以至於在宇宙的歷史上，沒有任何星系、 �甯P、行星以及處在這個鏈條終端的生命能夠出現。 星系的存在“實驗”地證明，原初宇宙中的某些漲落能夠增長，並與整體膨脹相脫 離。在這種凝聚過程中，密度反差，即團塊相對于周圍環境的質量超出，將無限制地增 大。在初始階段這種反差很小，即使團塊總質量已有幾百M時，密度的相對超出也只不 過千分之一。而今天，對同樣質量而言，密度反差已在ic萬倍以上。引力幹得多勤奮！ （太陽型�甯P與星際介質的密度反差還要大：10”比1。） 廚師都知道，在火上攪動一鍋醬汁時，小團塊比大的更容易形成。因此也有這樣的 可能，原初宇宙中那些大幅度的漲落使質量比星系小得多的物質首先凝聚成由引力控制 的物體。正是通過引人這樣一種機制，史蒂芬·霍金於1971年建議了原初黑洞的存在。 前面講過，由�甯P坍縮而形成的黑洞質量在3的量級，對原初黑洞沒有這種制約， 各種形狀和尺度的黑洞都可以在宇宙早期形成，尤其是大小如基本粒子的微型黑洞。 有可能由天文觀測來檢驗關於微型黑洞的思想嗎？

暗物質?

現代宇宙學尚未解決的問題之一是所謂下落不明的質量。對星系運動的觀測表明,“可見”物質（無論是在光學、射電、紅外或X射線波段可見）只占總質量的一部分。可以舉一個簡單的例子來描述這個問題。許多星系聚集成團，形成束縛的引力結構，並不散開到周圍的宇宙介質�堙C如果這些星系團只由可觀測到的單個星系和星系際氣體組成，則引力將不足以使它們聚集在一起，因此就必然存在暗物質，在電磁輻射這種形式上是不可見的，但是能提供引力以維持星系團的存在。
    黑洞顯然是這種暗物質的候選者（最新的說法是“褐矮星”，有時被不大禮貌地稱爲“衰敗星”，指的是質量小到只有太陽的百分之一，因而核心不能發生熱核反應的暗弱天體。關於微透鏡的觀測計劃的基本目的正是要找到這種星），但是，各種由觀測得出的制約排除了大量巨型黑洞聚集的可能性（如在第門章將要看到的，很可能所有星系的核心都有一個質量很大的黑洞，但要解決下落不明的質量問題，在星系核外就還得有許多巨型黑洞）。比如說，如果質量遠大于100萬M的黑洞存在於旋渦星系的暈�堙A即在聚集著絕大部分可見物質的星系核球和星系盤（見第17章）之外，這種黑洞的存在將至會以兩種方式表現出來：第一，它們將作爲引力透鏡而使遙遠�甯P的像多重化；第二，它們將使星系盤中�甯P的速度增大，因而使盤變厚。然而這些現象都從未被觀測到。
    另一方面，質量爲100萬M的原初黑洞存在的可能性並未被排除。絕大多數星系都是在宇宙歷史的早期形成的，其核心的黑洞也可能是原初型的，甚至有可能黑洞正是使星系得以形成的種子。