舞厅经典交谊舞舞曲:黑洞怎样形成的？

黑洞”很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，就连光也不能逃脱出来。

根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，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将沿弯曲空间返回恒星表面。

等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，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”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。

那么，黑洞是怎样形成的呢？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。

我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，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。

质量小一些的恒星主要演化成白矮星，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。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。

这次，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”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

与别的天体相比，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，连科学家都只能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。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，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，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

在地球上，由于引力场作用很小，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，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，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，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能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！

“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。许多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。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。
“黑洞”是一种天体：它的引力场强大得就连光也不能逃脱出来。根据广义
相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，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将沿弯曲空间
返回恒星表面。

等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，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”，是指它就像
宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真
正是“隐形”的，下面将会叙述。

黑洞是怎样形成的呢？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。我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，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳
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，重新有能力
与压力平衡。

质量小一些的恒星主要演化成白矮星，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。如果超过
了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。

这次，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”。而当它的半径一旦收缩到一定程度
（史瓦西半径），正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向
外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

与别的天体相比，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，连科学家都只能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。我们都知道，光是沿直线传
播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，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，但走的已经不是直线，
而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏
离了原来的方向。

在地球上，由于引力场作用很小，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，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，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，
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能直接到达地球，它朝其它
方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能
看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！

“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。许多
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。不过，
这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友
可以去参考专门的论著。

星系NGC4261 内黑洞周围的尘埃圆盘

<p>理论上，黑洞有好几种。</p><p><strong>恒星级的黑洞</strong>是大质量恒星演化至终极时的残骸。<br />大质量恒星（质量大于7倍太阳质量）在核聚变反应已到终结时，形成“洋葱头”结构，就是从恒星的外层向内层分别由不同的核聚变产物所占据，依次是氢、氦、碳、氧氖，再向内是26号元素铁之前的各种元素。<br />恒星的核聚变反应到铁就终止了，铁的核能是所有已发现元素中最低的，不能再用提高温度的方法使铁发生聚变反应。此时整个恒星的核聚变反应停止，向外发射的、用于抵抗恒星向内收缩的辐射压就下降了，于是因引力作用而向内的收缩重新开始，恒星变得极不稳定。当恒星外围物质以近乎自由落体的速度到达铁核时，撞上了一堵无比坚硬的墙（就是铁核），撞击和收缩造成铁核表面温度急剧升高，使恒星发生无比剧烈的内爆，将铁核外的物质以近光速的速度炸开，这就是超新星爆发。在外围物质向周围空间飞散的同时，铁核向内再次收缩。密度迅速升高，铁原子被巨大的压力压碎，电子被压入原子核。当铁核部分被压缩后达到史瓦西半径时（r=2GM/C^2，式中：r为史瓦西半径，G为引力常数，M为恒星剩余质量，C为光速），其密度会比原子核的密度还要高，其引力就会强大到连光也无法逃离，从而使其在远处无法被观测到，靠近时也只能感受到其巨大的引力，而无法看到。所有过于靠近的物质（包括光线）都会落入其中，仿佛是一个黑色的陷井，因此被称为“黑洞”。</p><p>除了恒星级黑洞外，理论上任何大小和质量的黑洞都允许存在。主要有星系级黑洞、量子黑洞等。</p><p><strong>星系级黑洞</strong>是星系形成过程中，内部物质质量过于集中，很容易就能达到史瓦西半径，于是，天文学家认为在大多数星系中央极有可能存在巨大的黑洞，是以星系核的形式存在的，我们银河系的中央也有。</p><p><strong>量子黑洞</strong>则是在宇宙大爆炸发生的初期，物质刚刚产生，而空间又来不及膨胀到很大时，物质和能量密度极高，物质受到压缩，形成的尺度只有基本粒子大小、质量只有数万至数十万吨的极小型黑洞。因其尺度只有基本粒子大小，所以称为量子黑洞。</p>

“黑洞”很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，就连光也不能逃脱出来。

根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，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将沿弯曲空间返回恒星表面。

等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，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”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。

那么，黑洞是怎样形成的呢？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。

我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，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。

质量小一些的恒星主要演化成白矮星，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。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。

这次，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”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

与别的天体相比，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，连科学家都只能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。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，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，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

在地球上，由于引力场作用很小，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，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，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，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能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！

“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。许多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。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。

恒星坍缩
当密度达到一定程度时我们称它为黑洞
由于光不能从被黑洞翘曲的空间中流出
故从外面看上去黑洞是黑色的，故此名曰黑洞