在1995年,科學(xué)家觀測(cè)一個(gè)名為MCC—6—30~15的活躍星系時(shí),發(fā)現(xiàn)來(lái)自這個(gè)星系中心的X射線發(fā)生了引力紅移。
所謂引力紅移,用愛因斯坦的廣義相對(duì)論來(lái)解釋,就是在強(qiáng)引力作用下出現(xiàn)的時(shí)間似乎變慢(其實(shí)是光波長(zhǎng)變長(zhǎng))的現(xiàn)象,這是非黑洞理論無(wú)法解釋的。這個(gè)現(xiàn)象被確認(rèn),其意義就相當(dāng)于直接觀測(cè)到黑洞。于是,很多科學(xué)家由此達(dá)成共識(shí):所有星系的中心都應(yīng)存在巨型黑洞,我們的銀河系也不例外。
然而,2007年美國(guó)航空航天局出人意料地宣布,天文學(xué)家在緊鄰銀河系中心的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了數(shù)十顆龐大而且非常明亮的恒星。這一發(fā)現(xiàn)讓專家感到萬(wàn)分詫異:如果銀河系中心存在一個(gè)巨型黑洞,那么在黑洞附近是不可能存在任何天體的。也就是說(shuō),發(fā)現(xiàn)這數(shù)十顆龐大的恒星,將銀河系中心存在巨型黑洞的可能性幾乎降為零。
在星系中心是否有黑洞的問題上,上述兩種觀測(cè)結(jié)果相互矛盾,在人們感到困惑的同時(shí),也更激起人們揭開黑洞神秘面紗的興趣。那么,黑洞到底是個(gè)什么樣的奇怪天體?
早在1783年,英國(guó)劍橋大學(xué)的約翰·米歇爾便撰文指出,一個(gè)質(zhì)量足夠大并足夠緊致的恒星會(huì)有極其強(qiáng)大的引力場(chǎng),以致連光都不能逃逸。這樣的恒星,雖然我們無(wú)法看到它們發(fā)出的光,但卻可以感受到它們的巨大引力。
1798年,法國(guó)著名數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家拉普拉斯根據(jù)牛頓的引力定律也預(yù)言了黑洞的存在。他說(shuō):“一個(gè)密度如地球而直徑為250個(gè)太陽(yáng)的發(fā)光恒星,由于其引力的作用,將不允許任何光線離開它。由于這個(gè)原因,宇宙中最大的發(fā)光天體也不能被我們看見?!碑?dāng)時(shí),他稱這種天體為“黑暗的一團(tuán)”。
在那個(gè)時(shí)代,有關(guān)黑洞的預(yù)言可以說(shuō)是比較離奇的,很難被人們接受。因此在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里,黑洞的預(yù)言沒有引起人們足夠的關(guān)注。
進(jìn)入20世紀(jì),廣義相對(duì)論的發(fā)表在整個(gè)科學(xué)界引發(fā)震動(dòng),其中的一些論點(diǎn)支持了上述黑洞的預(yù)言。愛因斯坦通過(guò)嚴(yán)格計(jì)算發(fā)現(xiàn),這種特殊天體所產(chǎn)生的引力非常強(qiáng)大,能夠扭曲空間與時(shí)間,將大量物質(zhì)與能量壓縮到一個(gè)很小的點(diǎn)——奇點(diǎn)——上,沒有任何物質(zhì)能夠從中逃脫,即便是光也沒有可能。
此后,德國(guó)天文學(xué)家K.史瓦西于1916年提出了廣義相對(duì)論球?qū)ΨQ引力場(chǎng)的嚴(yán)格解,并在其中明確地提出了黑洞設(shè)想。他認(rèn)為,在高致密天體或大質(zhì)量天體周圍的某一區(qū)域內(nèi),逃逸速度等于光速,任何物質(zhì)和輻射都不能逸出。也就是說(shuō),當(dāng)恒星的半徑小于一特定值時(shí),就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了。到這時(shí),恒星就變成了黑洞。這就是后來(lái)在天文學(xué)上常說(shuō)的“史瓦西半徑”。
1939年,美國(guó)物理學(xué)家奧本海默根據(jù)廣義相對(duì)論證明,一顆質(zhì)量足夠大的恒星(超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量的3.2倍)在自身引力的作用下,將能坍縮到它的引力半徑范圍內(nèi),它發(fā)射出的光或其他粒子,都不能逃出這個(gè)范圍。
科學(xué)家給黑洞設(shè)的基本定義是:它是一個(gè)具有封閉視界的天體,引力巨大,外來(lái)的物質(zhì)和輻射能進(jìn)入視界以內(nèi),但視界內(nèi)的任何物質(zhì)(包括光線)都不能跑到外面來(lái)。這個(gè)視界就是黑洞的邊界。根據(jù)這一描述我們可以發(fā)現(xiàn),如果銀河系中心有一個(gè)巨型黑洞的話,由于它具有巨大引力,可以將周圍的所有物質(zhì)都吸進(jìn)去。也就是說(shuō),如果黑洞周圍有恒星的話,它們必將被撕裂后吸入黑洞之中。然而奇怪的是,天文學(xué)家在緊鄰銀河系中心的區(qū)域內(nèi),竟然發(fā)現(xiàn)了數(shù)十顆體形完好且龐大無(wú)比的恒星。這一發(fā)現(xiàn)基本上排除了銀河系中心有巨型黑洞的說(shuō)法。
星系的中心究竟有沒有黑洞?還是銀河系只是一個(gè)特例?另外,假如銀河系中心有黑洞的話,它會(huì)不會(huì)因?yàn)橐环N特殊的原因,可以將包括恒星在內(nèi)的其他物質(zhì)“關(guān)”在門外?類似這樣的一些問題,有待于科研人員不斷探索,逐步找到正確的答案。