宇宙级“双生子”：极小黑洞和超大黑洞

2024-09-20 13:48

宇宙级“双生子”：极小黑洞和超大黑洞

除了恒星级的黑洞外，还有质量非常巨大的超重黑洞（105–1010太阳质量）和质量很小的微型黑洞。超大质量黑洞通常存在于星系的中心。在微型黑洞的尺度，量子力学效应扮演了非常重要的角色，所以又将它们称为量子黑洞。或称为原生黑洞，是科学家们提出的一种假想黑洞。它们并不是由恒星坍塌而形成，是在大爆炸的早期宇宙的高密度环境下产生。理论上，这种另类黑洞比普通黑洞更小，体积可以只有原子大小，质量却相当于一座山（大于10亿吨）的原生黑洞。天文上暂时尚未观测到这类黑洞，因此我们不作更多的讨论。

（图片来自网络）

恒星黑洞是由理论物理学家预言，天文学家刻意寻寻觅觅才最终被观察到的。超重黑洞的发现过程却完全可以说是一个意外。它们的发现与射电天文学的发展紧密相关。

根据目前天文界的共识，认为在很多星系的中心，存在质量巨大的超重黑洞。比如说，我们所在银河系的中心，就有一个非常光亮及致密的无线电波源：人马座A*。这颗星的位置就很有可能是离我们最近的超重黑洞的所在。

人马座A*正式被发现和被命名是上世纪70年代的事，但对那个位置的无线电波源的观测却可追踪到上世纪30年代。上一节中介绍过，双星系中的恒星黑洞一般是一个强大的X射线源。星系中心暗藏着的巨型黑洞除了辐射X射线之外，还辐射大量的无线电波。那是因为这种超重黑洞一般带有电荷，并且围绕中心高速旋转，在其周围形成了一个异常强大的磁场。

（人马座。图片来自网络）

实际上，天文学家从天体接收到的可见光、X射线、无线电波，都是属于电磁波。只不过因为其频率之不同而给了它们不同的名称而已。当然，最重要的原因是因为频率不同而使得所用的接收仪器不同。这其中可见光的频率范围大概为3.9×10 14到8.6×10 14赫兹之间。X射线的频率高于这个范围，大约是可见光的1000倍。无线电波的频率则低于这个范围。根据接收方法的不同，观测可见光的设备叫做光学望远镜，用无线电波来探测星体的研究则叫做射电天文学。

卡尔·央斯基（Karl Jansky，1905年－1950年）是一位美国无线电工程师，可算是射电天文学先驱。他于1932年首先发现了来自银河系中心的无线电波。

（卡尔·央斯基。图片来自网络）

当时有一个美国业余天文学家格罗特·雷伯（Grote Reber，1911年－2002年），得知了央斯基的工作后，对探索这个靠近银河中心的无线电波源产生了极大的兴趣，决定进入这个领域深入研究，当时他想进入当时央斯基所在的贝尔实验室，但因为正值大萧条时期，没有得到任何职位。

雷伯契而不舍，决定在自己的家乡，靠近芝加哥的惠顿镇，母亲住所的后院，建立一个私人的无线电望远镜，这个望远镜于1937年完工，据说设计得比央斯基在贝尔实验室所做的更先进，见图6-5-1。

图6-5-1：雷伯和他在母亲后院建造的望远镜

他以仪器重做了卡尔·早期的工作和一些简单的研究，在1938年成功的使用160百万赫兹确认了央斯基的发现。

两位射电天文学家虽然最早观测到了来自银河系中心的无线电波，但并不知道那是如何产生的，也完全不知银河系中心有“超重黑洞”一说，只有依赖于现代越来越精确的天文观测和测量技术，以及黑洞物理理论的发展，人们才逐渐认识到，原来我们星系的中心处，就是一个天体物理学家“众里寻他千百度”的黑洞。据专家们估计，这个黑洞的质量大约为太阳质量的400万倍。

超重黑洞有两个与我们概念中的黑洞印象有点不同的特别性质。首先，它们因为质量巨大，实际上平均质量密度并不大。因为根据黑洞视界半径的计算公式：rs=2GM/c2，可得到平均质量密度r=3M/4prs3，最终结果是，r反比于质量M的平方。所以，质量超大的黑洞，平均密度可以很低，甚至比空气的密度还要低。

（图片来自网络）

超重黑洞的另一个特点是在视界附近的潮汐力不是像通常想象的那么强大。因为视界范围很大，中央奇点距离视界很远。有多远呢？视界半径是和质量成正比的，太阳质量缩进一个黑洞的时候，视界半径为3公里，那么，银河系中心的黑洞质量是400万个太阳质量，这个巨大质量的黑洞的史瓦西半径就应该等于3公里的400万倍，即1200万公里左右。那么，是不是这种超重黑洞就不是我们想象的那么危险和可怕呢？也未必见得，如果真是黑洞的话，进去了出不来可不是好玩的！不过好在它们都距离我们太阳系远远的，暂时对人类没有任何危害。另外，根据天体物理学家们的研究结果，星系中心的巨大黑洞可能对维持星系的稳定性有一定的作用。