黑洞系列（一）：黑洞的判定标准

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黑洞可以说是宇宙中最神秘的天体了，它广泛的存在于许多星系的中心（银河系中心黑洞“人马座A”，约为430万个太阳质量），除此之外黑洞还会与普通恒星组成双星系统，甚至还有的独自遨游在无尽宇宙间。很多人都知道，连光也无法逃脱黑洞的引力，因而在天文学家能够探测到的水平上，黑洞不会发射任何电磁波，他们完全是“黑“的。很多人因此会有疑问：既然无法看到，那科学家是怎么确定黑洞是存在的呢？又是怎么判别一个天体是不是黑洞的呢？听我慢慢道来。

银河系中心黑洞人马座A

先要从恒星的演化讲起。当一颗恒星渡过它主序星也就是正常燃烧的阶段，他就会开始膨胀，变为一颗红巨星，而随着红巨星内核的进一步燃烧，经过数次的氦闪，红巨星外部的气态物质全部被抛出，恒星只留下一个内核。根据钱德拉·塞卡在1980的计算，如果恒星这个内核不超过1.44个太阳质量的恒星，它最终会变为一颗白矮星，这个质量就是大名鼎鼎的钱德拉·塞卡极限。当白矮星存在一颗伴星时，它会从伴星身上“偷吃”，使得自身的质量逐渐增大直至超过1.44个太阳质量，此时白矮星无法抵挡自身的引力，发生超新星爆发，这种型式的超新星称为Ⅰa型超新星。

白矮星和它的伴星

苏联科学家朗道预言，还会有一种只由中子组成的“中子星”，它是恒星演化的另一种结局。1939年奥本海默和沃尔科夫的计算指出，当一个老年恒星的质量大于10个太阳质量时，它最终会变为一颗中子星。1967，乔丝琳·贝尔发现了脉冲星，后来经过计算，发现这正是朗道预言的中子星。就目前的理论看，中子星的前身是一颗质量约为10~29个太阳质量的恒星。中子星是一种极其致密的天体，其半径不超过30千米，但却拥有1.5~3.0个太阳质量，密度大致和原子核相当。而当中子星的质量超过3个太阳质量，就会在自身引力的作用下继续坍缩，最终变为一颗黑洞。

蟹状星云中心的中子星

中子星与黑洞的性质很相似，其表面的逃逸速度能达到光速的一半，再加上黑洞本身并不发光，因而仅仅通过理论计算出来的质量标准并不能判别一颗致密天体究竟是否为黑洞。针对这一问题，上世纪末期天文学家想到了一种方法。中子星具有坚硬的固体表面，因而落在中子星上的物质会在表面堆积；而落入黑洞的物质却会被吞没，永远消失。这会造成两者在周围区域发射的辐射上有细微的差异，据此天文学家能证实黑洞确实存在。根据前文所述，科学家的计算表明，中子星的质量无法超过3个太阳质量，因而那些质量超过三个太阳的天体就成为黑洞的候选者。

脉冲双星

候选者确定了，接下来就是按照判别标准进行判断。根据角动量守恒原理，落向致密天体的物质并不是直线掉入的，它们会稳定在大致呈圆形的轨道上。随着物质之间的相互摩擦变热，角动量减少，物质就会从圆形的轨道上进一步下落。如果一团炙热的等离子体在落入黑洞前未能将自身的能量辐射出去，那这些能量会随着物质一同被拖进黑洞，而如果它是落入一颗中子星，那么这些热量最终会通过物质自身或者中子星表面辐射出去，这就使得黑洞和中子星两者的辐射会出现差别，有利于天文学家区分黑洞和中子星，这类物质被称为“径移主导吸积流”（advection-dominated accretion flow，简称ADAF）。这类物质所处的射线源亮度低于辐射效率在10%左右的射线源，因此寻找类似暗淡的X射线和伽马射线源也就成为了很多科学家的目标。

天鹅座X-1双星系统，吸积盘概念图

ADAF模型为科学家判别黑洞的存在提供了强有力的帮助。1996年麻省理工学院的麦克林托克和罗纳德·雷米拉德（Ronald Remillard），宾夕法尼亚州立大学的杰尔姆·欧罗斯（Jerome Orosz）以及耶鲁大学的查尔斯·贝林（Charles Bailyn）组成的团队就利用ADAF模型，成功解释了他们所观测的GROJ1655-40出现的X射线爆发的现象，并确定这个双星系统中存在一颗黑洞。此外，ADAF模型还成功解释了银河系中心的光谱等等其他许多问题。

电影星际穿越中的黑洞，也是目前为止最逼真的黑洞模型

ADAF模型只是揭开了黑洞神秘面纱的一角而已，黑洞还有很多神秘之处等着我们去探究，尤其是那颗贝壳里的珍珠——奇（qí ）点，我们下回再说。


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