黑洞零距离接触：黑洞的浓密和稀薄

泣天使

我们已经知道黑洞的存在，这些引人入胜的天体位置多在许多星系的中心。但是因为它的独特“个性”，研究者要了推断它们的存在，必须依靠两种间接的论证路线。首先，在靠近星系中心，恒星运动得极快，以致除有一种巨大质量——大到相当于10亿个太阳——的引力拉住它们，否则它们就会飞走。具有如此大质量的东西，一定是极其紧密的，除了黑洞别无选择。其次，许多星系中心和双星系统以极大的速度喷涌出辐射和物质，它们一定包含着能量的非常高效的机构。理论上说，最高效的就是黑洞。接下来，我们具体看一下黑洞的各种特性。不过，这里所要涉及的名词会比较专业，你不明白的话可以翻翻书或者上网查一下，我想你会找到答案的。


浓密和稀薄
黑洞之所以成为如此高效的机器，是由它们的强大的吸引力使然，黑洞的边界是这样一个表面：没有什么东西能从那里逃出，即使是它以光速运动。接近黑洞的物体以相应的极其高的速度被拉向边界，途中它们可能跟别的碎片相碰。并且在碰撞过程中，物体在靠近黑洞的地方变热。
因为物体正以接近于光速的高速度运动，根据质量守恒定律，它转换成热的动能类似于它们静止时质量的固有能量。由于物体要返回远离黑洞的起始点就需要让它相当一部分质量转换成能量，在这个意义上，黑洞把静止质量转换成了热量。
不过黑洞不能以任意快的速率旋转；超过某一最大速率，黑洞表面就不再存在。黑洞以接近于最大可能的速度旋转时，就会把42％的陨落物体质量转换成能量。相反，静止的黑洞只能支配6％的陨落物体。
如果环绕黑洞的粒子能够分享它们的能量（比如由于碰撞），那么陨落物质可以达到难以想像的温度。刚好在边界之外的质子的平均温度，相当于它的许多质量转换成能量——大约1013摄氏度。在这样高的温度下的物质发出很强的伽马射线。但是尽管质子易于变热，却不善于辐射能量。它们宁可在碰撞中把能量转换成别的的放射体，比如电子。电子放出能量较低的X射线。因此天文学家会看到从一个浓密的电子区域里流出X射线。
事实上那正好是天文学家在X射线双星系统中所观察到的。天空中最亮的X射线源被认为是由其轨道是围绕看不见的物体的普通恒星所组成的。其中有一些是连续辐射的，另有一些称做X射线瞬变的，只有在几个月里才能看到一回，它们在静止状态中耗去大部分寿命，即使放出了X射线也少得可怜。不过在辐射爆发时，它们以X射线的形式放射出1030—1031瓦，是太阳总输出的100，000倍。可以说是养精蓄锐百日而一朝一鸣惊人。

取脉冲
黑洞的论证也适用于中子星。虽然中子星不像黑洞那样功率强大，但仍不失为“体魄强健”的机体。靠近中子星的物体能以一半的光速碰撞中子星的表面，从而转换为能量，转换的效率约为10％，与典型的黑洞效率相差不多。
天文学家当然知道许多双星系统中的紧密物体并非黑洞。像单个脉冲星一样，双星中的射电脉冲星也被认为是快速旋转的，旋转使得中子星磁化。黑洞不能有磁场，它们近乎无特征物体，不能像在脉冲星上观察到的那样产生有规律的脉冲。与此相似，X射线脉冲星也不是黑洞。任何有规律的、稳定的脉动都排除了黑洞的存在的可能。即使是不规则的X射线爆发也应该是中子星，因为它提供了可以积聚物质的表面，并不时地产生爆炸。然而反过来却是不正确的——没有脉冲或爆发并不意味着就是黑洞。
抵抗引力
中子星的密度很大，以致电子衰退都不能抵抗引力。原子受到压力，质子和电子紧密结合成中子，原子核就消失了。原子结果成为中子球。这些粒子不能都占据相同的能级，所以堆积起来产生向外的压力。

对衰退核物质的性质，我们知道的不多。因为中子间的强相互作用必须考虑进去。因此研究者搞不清中子星的最大质量，虽然用简单的论证可以弄清其绝对质量。衰退恒星中引力拉牵随质量增大而增大。要抵抗这种增强了的拉牵力量，物质必须更加浓密。超过某一临界质量，它的浓密增长得比光速还要快。这违反相对论的基本原理。这个临界质量大约6倍于太阳质量。按照美国、法国、日本的专门小组更详细的计算，最大质量实际上低于3个太阳质量已知的中子星质量决不会超过2个太阳质量。