黑洞裸奇点大质量恒星生命尽头的秘密

伤我心太深

传统看法认为大质量恒星最终会坍塌成黑洞，但有些理论模型却预测那会形成所谓的“裸奇点”，这是天文物理上悬而未决的重要问题。
　　大质量恒星生命尽头命运单击此处浏览更多相关图片裸奇点的发现会为物理学上的统一理论提供直接的观测，对该理论的影响甚巨。
　　现代科学已把许多奇怪的概念昭告天下了，但其中最诡异的，莫过于大质量恒星到达其生命尽头时所面临的命运。在燃烧了亿万年后，恒星的燃料耗尽，无法再支撑自身的重量，于是开始灾难性的崩塌。像太阳这类大小适中的恒星会在崩塌成较小体积时，再度稳定下来；但若是质量更大的恒星，它的重力将压过所有阻止坍塌的力量，使得恒星从原本数百万公里的大小，塌缩成比英文字母“ i ”上的一点还微小。
　　多数物理学家与天文学家认为这个结果就是黑洞──一种具有强大重力而没有任何东西能够逃离其近旁的天体。黑洞的核心是个奇异点(singularity)，恒星上头所有的物质都缩
　　进了这个体积无限小的点，环绕在奇异点周边的就是物质无从逃脱的空间，其边界称为“事件视界”。任何物体一旦进入事件视界之内，就永远无法离开这个区域，就连物体所发出的光也会陷落其中，因此外界的观测者再也看不到它。坠入的物体最终将撞毁在奇异点上。
　　然而这个描述是否真确？从已知的物理定律，我们清楚知道奇异点会形成，但不怎么确定事件视界的存在。大部份物理学家实行的假设是视界必须存在，只因为以视界做为科学的屏障是非常诱人的概念。物理学家尚未完全厘清奇异点上究竟怎么了：物质是被压垮了，但变成了什么呢？事件视界将奇异点藏匿起来，也阻隔了我们对它的探索；奇异点上可能发生各种未知的事情，但对外界不产生任何效应。天文学家在描绘行星与恒星轨道时，完全不必考虑奇异点的影响，因为不论在黑洞里发生什么事情，都只会留在黑洞里。
　　但是，越来越多的研究质疑着这个一向被视为理所当然的假设。在许多关于恒星坍塌的学说中，事件视界并未形成，因此奇异点其实就暴露在我们眼前，物理学家称它为“裸奇点”，物质与辐射可坠入也可弹出这个区域，也就是说，以往我们以为造访黑洞里的奇异点是趟有去无回的旅程，但其实你却可以在非常接近裸奇点后全身而退，并叙述你此行的见闻。
　　假如欠缺事件视界的裸奇点真的存在，在奇异点附近发生的神秘事情将会冲击外在的世界。裸奇点可以用来解释天文学家已观测到却无法解释的高能现象，并提供了一个探索时空最精细结构的实验室。
　　不准偷看奇异点！
　　奇异点显然是个神秘的东西，它们是重力强度无限大的地方，已知的物理定律在此完全失效。根据物理学家目前对重力的理解，奇异点潜藏在爱因斯坦的广义相对论里，无可避免地会在巨大恒星崩塌的过程中产生。广义相对论无法解释主导着微观世界的量子效应，而量子效应必将介入恒星坍塌的过程，以防止重力强度真的变成无限大，但物理学家对发展出可用来解释奇异点的量子重力理论，仍一筹莫展。
　　相较之下，要解释在奇异点周围发生的事情，似乎较为直接而容易。恒星的事件视界大小可达数公里，远大于量子效应的尺度，假设没有其它新的作用力介入，应可单纯地用广义相对论来解释。广义相对论所根据的是我们已经非常了解的原理，而且已通过了90年的观测验证。
　　虽然如此，要将理论套用到恒星坍塌的现象，仍是件艰巨的工作。爱因斯坦的重力方程式是出了名的复杂，物理学家必须做些简化的假设才能顺利解出。美国物理学家欧本海默(J. Robert Oppenheimer)与史奈德(Hartland S. Snyder)在1930年代末期首开先例，为了简化方程式，他们只考虑完美的球状恒星，并假设它们是由密度均匀的气体所构成，且气体压力忽略不计。他们发现当这类理想恒星坍塌时，表面的重力会持续增加，最终强大到足以圈捕住所有的光与物质，形成事件视界，恒星不再能被外界观测者看到，之后更迅速塌缩成奇异点。另外，印度物理学家达特(B. Datt)也独立做出同样的结果。
　　当然，真实的恒星复杂多了。它们的密度并不均匀，而且气体会施加压力，同时有各种形状。是否每个质量够大的恒星都会变成黑洞呢？1969年，英国牛津大学的物理学家彭若斯(Roger Penrose)认为答案是肯定的。他推测在恒星坍塌时，需形成事件视界才能形成奇异点，由于总是被视界遮住，大自然并不允许我们窥看奇异点。彭若斯的猜想被称为宇宙审查假说，虽然只是个猜测，却巩固了现代黑洞研究。物理学家希望能够以严谨的数学来证明这个假说，就像当初证明奇异点是不可避免的那样。
　　裸奇点的诞生
　　然而这样的期望并没有实现。我们没有提出任何关于宇宙审查假说的直接证明，反而开始一一分析重力坍塌的各种状况，借着增加理想化模型所欠缺的性质，逐渐让我们的理论模型更准确。1973年，德国物理学家塞费德(Hans Jürgen Seifert)与同事考虑了密度不均匀的恒星。非常有趣的是，他们发现密度不同的
　　各层物质在坍塌时，彼此会有交互作用而短暂地产生不被视界遮蔽的奇异点。在众多不同的奇异点类型中，这种奇异点算是相当温和的，虽然密度会在某处变得无限大，重力强度却不会，所以奇异点并未将坠入的物体挤压成一个无限小的点。因此，广义相对论没有失效，而物质也可以行经该处，而非步入终点。
　　1979年时，美国加州大学圣巴巴拉分校的尔德黎(Douglas M. Eardley)与伊利诺大学香槟分校的斯马尔(Larry Smarr)更进一步以数值计算，仿真具有真实密度剖面(中心密度最高并逐渐向表面递减)的恒星，苏黎士瑞士联邦理工学院的克利斯托杜洛(Demetrios Christodoulou)则在1984年以纸笔重复相同的计算。这两项研究结果都一样，恒星体积收缩成零，并产生裸奇点。但此模型仍忽略了压力，所以当时在英国约克大学的纽曼(RichardP.A.C. Newman)再度证实了这种奇异点的重力并不强劲。
　　受到这些发现的激励，包括我在内的许多研究人员试图制定一个严格的定理：裸奇点的重力一定很微弱。然而我们并没有成功，原因很快就被厘清了：裸奇点并不都是微弱的。我们发现了许多不均匀坍塌的学说，可产生具有强大重力、能真正将物质挤压至无形的奇异点，同时可被外界看见。当时任职于印度阿格拉大学的兑伟谛(Indresh Dwivedi)与我，于1993年发展出在不考虑气体压力下对恒星坍塌的一般分析，厘清并确认了这些观点。
　　1990年代早期，物理学家开始考虑气体压力的效应。以色列技术学院的欧瑞(Amos Ori)与耶路撒冷希伯来大学的皮兰(Tsvi Piran)进行数值模拟，而我的团队则精确解出相关的方程式，证实了具备真实密度与压力关系的恒星，是能够塌缩成裸奇点的。约莫同时，意大利米兰理工大学的马格利(Giulio Magli)与日本大阪市立大学的中尾健一的两支团队，都将塌缩的恒星内由粒子旋转所产生的一种特殊型态的压力加入计算，也显示了在许多情况下，坍塌都会产生裸奇点