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发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 第十五章　原初黑洞
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年10月26日08:23:54 星期天), 站内信件

    　团块

    让我们返回到宇宙的极为遥远的过去，即150亿年以前。刚刚形成的宇宙并不
是一种均匀平静的"汤"，由于微小涨落的激发，物质在自身引力作用下趋于聚集成
团块。但是，像炉子里的蛋糕一样，宇宙由于大爆炸的力量而在膨胀。这种总体膨
胀与局域凝聚之间的对立是当代物理学最大的问题之一：某些团块究竟是怎么发展
成星系的呢？似乎宇宙的膨胀终究应该足以阻止局域的凝聚，以至于在宇宙的历史
上，没有任何星系、恒星、行星以及处在这个链条终端的生命能够出现。

    星系的存在"实验"地证明，原初宇宙中的某些涨落能够增长，并与整体膨胀相
脱离。在这种凝聚过程中，密度反差，即团块相对于周围环境的质量超出，将无限
制地增大。在初始阶段这种反差很小，即使团块总质量已有几百M时，密度的相对
超出也只不过千分之一。而今天，对同样质量而言，密度反差已在ic万倍以上。引
力干得多勤奋！（太阳型恒星与星际介质的密度反差还要大：10"比1。）

    厨师都知道，在火上搅动一锅酱汁时，小团块比大的更容易形成。因此也有这
样的可能，原初宇宙中那些大幅度的涨落使质量比星系小得多的物质首先凝聚成由
引力控制的物体。正是通过引人这样一种机制，史蒂芬·霍金于1971年建议了原初
黑洞的存在。

    前面讲过，由恒星坍缩而形成的黑洞质量在3的量级，对原初黑洞没有这种制
约，各种形状和尺度的黑洞都可以在宇宙早期形成，尤其是大小如基本粒子的微型
黑洞。

    有可能由天文观测来检验关于微型黑洞的思想吗？

    　碰撞中的世界

    无疑地，最好是能在太阳系里找到微型黑洞。霍金提出，微型黑洞能被太阳捕
获，并逐渐地朝日心下落，与人们的直觉相反，太阳不会被这个小黑洞吃掉，小黑
洞可以在太阳里存在很长时间而没有任何可觉察的影响，只有在黑洞迅速增大的情
况下太阳才有危险。而事实上，被黑洞吞噬的太阳物质在消失之前会发出很强的辐
射，辐射压对外部物质的推斥作用将限制黑洞的增长速度。被吞噬的物质流与被释
放的能量流相互调节，使得黑洞周围区域就像一个极其稳定的核反应堆。这个有着
"黑心"的太阳将平静地继续着它的主序生涯，很难觉察到它的活动有什么改变。

    这个独特的方案曾被用来解释地球上探测到的太阳中微子数与核反应理论预言
的数目之间的差异，不过它后来被抛弃了，因为能更好地解释这种差异而又更常规
性的机制占了上风（例如，中微子可能有非零质量，于是由假定零质量所计算的中
微子流就会与观测值不一致）。

    还要指出的是，微型黑洞同我们地球碰撞的可能性是很小的，还不及大陨石撞
上地球的机会大。不过，小黑洞撞击已被作为俄罗斯通古斯卡那场著名灾祸的可能
解释之一。1908年6月30日，西伯利亚的叶尼塞河流域遭到一个自天而降的物体的
破坏，伴随爆炸而来的有光、声和力的现象。冲击波毁坏了周围的大片森林，杀死
了数百只驯鹿，1000公里以外的人听到了声响，窗户被击碎，房屋被晃动，天空被
照亮，有一段时间亮得在高加索都能半夜在户外看书。按照地震仪的记录，爆炸威
力相当于1500颗扔在广岛的原子弹。但是，20年后才对爆炸的地方作科学考察。
15公里以内的树木被烧焦，30公里内的树木被推倒，全都由爆炸中心向外倒伏，但
是并没有标记撞击点的陨石坑。

    对这场灾变的起因已经有了许许多多的说法，有的平庸，有的新奇。目前普遍
接受的一种是归于一颗流星，或者更准确地说是一块管星的碎片，一块由冰和石头
组成的数百米大小的碎片，逆着地球转动的方向以50公里／秒的速度落到地面上，
就会产生在通古斯卡所见到的效果。在大气中的蒸发以及大量粒子的注人使得没有
一个坑或别的大痕迹留下。最好的证据来自对在当地收集的碎石的化学分析，那些
碎石主要由硅和镍铁块组成，与管星的成分极为一致。

    然而，这种证据并未能阻止两位美国天体物理学家提出一个根本不同的解释，
即一个微型黑洞穿过了地球，就像一把热刀穿透了黄油，又从地球的与通古斯卡相
反的一侧钻出来，而那一侧却碰上是南大西洋的中央，没有树或是窗户留下见证来
告诉人们发生了什么。

    更深入的分析表明，黑洞在地球中穿过会导致地震波，但是没有观测到；黑洞
钻出来时还会伴随有大气冲击波，这也没有观测到。看来这种漂泊的微型黑洞的解
释确令人难以置信（不过还赶不上反物质块或是遇难的外星人飞船之类的解释那么
离奇），只不过是作为一种宣传材料而已。黑洞专家们是不会从这种宣传中获益的
，如果黑洞随处可以见到，那么反而显得不可信了。

    　短暂的生涯

    由霍金依据量子力学所揭示的微型黑洞的基本特征，即以黑体辐射形式的质量
蒸发，看来才是探测这类黑洞的主要希望之所在。

    密度涨落理论表明，低质量黑洞只能在宇宙早期形成，而黑洞的质量越小，蒸
发得就越快（黑洞的寿命与其质量的立方成正比）。质量为1吨的黑洞会在10''秒
内蒸发光，而质量为100万吨的黑洞则能存在10年。只有那些寿命比宇宙年龄（
150亿年）长的微型黑洞才能维持到今天，这些黑洞的初始质量最少得有10亿吨，
这大约是一座山的质量，而黑洞半径只有10－''厘米，同质子一样。

    质量更大的黑洞的蒸发时间就比宇宙年龄要长得多，例如，IM黑洞的寿命大约
是10"年。这个巨大的数字并不出人意外，因为蒸发是一种量于现象，只发生在与
基本粒子直径相当的极小尺度上。因此，对于那些质量比一座山大的黑洞来说，蒸
发是完全无关紧要的，无论这些黑洞是在宇宙早期形成的还是后来在超新星爆发时
形成的。实际上，大黑洞质量增大的速率超过蒸发的速率。现在的问题是，目前正
在蒸发的黑洞应当有多大的初始质量。

    要回答这个问题，首先要明白，黑洞并不是存在于完全的真空里，而是处在具
有一定能量的媒介物质之中。介质的能量至少等于作为原初大爆炸遗迹的宇宙微波
背景辐射的能量。这个宇宙"浴池"的温度是开氏27度。按照热力学定律，那些今天
仍存在的原初黑洞中，只有质量小于10''克的（相当于月亮的质量，而半径只有0
．l毫米）才能有高于开氏27度的温度，因而才能蒸发，把能量给予周围介质；而
质量更大的黑洞则只会吸收宇宙能量而增大自己的尺度。总之，质量小于矿5克的
黑洞已经蒸发掉了，质量在1015克到1026克之间的黑洞现在正在蒸发，而质量在
1026克以上的，包括由恒星演化形成的"第二代"黑洞，则都正在增大。

    　最后时刻

    怎样才能观测到一个质量适当因而正在蒸发的黑洞呢？霍金的计算表明，在最
后的议1秒，蒸发变成爆炸，黑洞被突然地摧毁，其质量被转变成能量。这种能量
以一种高强度的伽玛射线爆发的形式消散，至少原则上距离为30光年以内的伽玛射
线暴是可以探测的。

    由第一章　中的表1可以看到，伽玛辐射所转移的能量平均要比可见光辐射强
100万倍。这种辐射因而有着强穿透性，如果不"是被地球的上层大气阻挡，它对地
球上的生物将有致命危险。观测宇宙伽玛辐射的一种方法正是把大气本身作为探测
器，伽玛射线光子在穿过大气上层时，会把自己的能量转变成物质，产生粒子和反
粒子的簇射。这些粒子在产生的瞬间的运动速度等于真空中的光速，因此就比在空
气中穿过的光还要快。这种"超相对论"粒子进人地球的电磁场，类似于超声速的飞
机那样，也会形成冲击波，不过不是产生声撞击，而是产生一种可见光闪耀，称为
切论可夫（Cerenkov）辐射。这种辐射很容易在地面上探测到，因而长期以来被用
以测量从宇宙空间到达地球的伽玛辐射流。

    由切伦可夫"光"探测到的伽玛辐射暴平均每年有几次，但是，它们并不具有微
型黑洞爆发的特征。当然，微型黑洞并不是天空中唯一的伽玛辐射源，事实上，除
了这种突然的辐射爆发外，还有一种强度较低的连续伽玛辐射已被在大气以外运转
的卫星上的仪器探测到。这个重要的发现表明，许多天文现象都能向星际空间发射
高能辐射。关于这种弥漫的背景伽玛辐射的起源还在争论之中，不过多数人相信是
由中子星（见第16章）这样的致密星，或者在更大得多的尺度上由活动星系核所产
生的。

    尽管如此，仍可能有许多微型黑洞已在不久前爆发，并为背景伽玛辐射作出了
部分贡队一个名为SASZ的卫星已对弥漫伽玛辐射作了精确测量。这种辐射的强度非
常低，即使假设全都是来自黑洞爆发，平均说来每立方光年体积内包含的原初黑洞
也不可能多于200个。这样看来，最靠近地球的做到黑洞也在远离太阳系的地方。


    原初黑洞的真实密度还要小得多，因为可以作出比基于伽玛辐射的推断更为严
格的限制。微型黑洞爆发时发射的粒子将与银河系的磁场作用，产生出特征射电波
。由于对射电波的探测比对伽玛辐射要容易得多，微型黑洞的爆发应当能用大型射
电望远镜探测到，然而却从来没有过。这一事实对微型黑洞爆发的额度作出了一个
很严格的限制：平均每立方光年体积每300万年里不可能超过一次。

    总之，质量像一座山的原初微型黑洞可能存在，但是极为稀少。

    　引力幻景

    微型黑洞爆发的踪迹难寻，并不排除质量超过10"克因而尚未爆发的原初黑洞
的存在。这样的黑洞又怎样探测呢？

    由第10章中描述的"照明"实验已经看到，即使是一个完全孤立的黑洞也能使来
自遥远源的辐射聚焦，起着"引力透镜"的作用。

    假设地球、一个黑洞和一颗恒星碰巧排在一条直线上，按照广义相对论定律，
黑洞附近的时空弯曲将使来自远处恒星的光在到达地球之前沿几条可能路径之一运
动（图56）。于是，望远镜就必然会看到同一个光源的几个像：一个对应着弯曲最
少的光线的"主"像，以及若干个对应着弯曲较严重的光线的"次"像。这种表观像相
对于真实像的移动就叫做引力幻景。

    有时在沙漠里可以见到的幻景是这样造成的：由沙里散发出的热使不同层次空
气的温度得到不同的升高，因而不同气层就有不同的折射率，由沙所反射的光线就
会沿不同的路径到达远处的旅行者，于是就会形成各种神秘的幻景，可以被看作是
绿洲、城市或是海洋，完全取决于旅行者最想看到什么。

    探测由宇宙空间的弯曲所造成的引力幻景无疑要困难得多，不妨先考虑一下银
河系外的巨型黑洞的情况。远处的源，例如类星体或宇宙背景辐射（这种辐射的确
是唯一的在天空中到处都存在的电磁辐射源），就可能会被黑洞的引力透镜效应所
影响。

    天文学家已经掌握了一批引力幻景给出类星体多重像的实例，但是，造成这些
幻景的并不是巨型黑洞，而只不过是中介星系而已。所有的物质集结都能使时空连
续体出现一定程度的弯曲，因而都能起引力透镜作用。大多数测量（像的分离等等
）只能给出透镜的质量，所以如果透镜本身没有被探测到，当然就不可能说出那究
竟是个巨型黑洞还是个暗弱的星系。

    1985年，一对名为哈利德（Hazard）1146＋lllB和C的类星体在天文界引起了
轰动。它们的红移乍看起来是相同的，因而很像是同一个天体被一个插入透镜造成
的双像。但是与其他引力幻景不同的是，哈利德1146＋fll有着极大的角分离：2．
6角分，比已知的其他多重类星体要大20倍。如果它们确是同一个天体的像，引力
透镜的质量就得相当于几千个星系。

    有三种类型的天体可以成为这种大质量的透镜：极密集的星系团，"超巨型"黑
洞，以及"宇宙弦"。没有任何观测证据显示在这个方向上座落有星系团。"宇宙弦
"是基本粒子理论家发明的一种优美构造，这是一种在宇宙的最初时刻形成的、很
长而半径几乎为零的弦，能够输送引力能。但是．没有任何实验方案可以用于证实
这种东西的存在，或是证实这个理论的合理。于是只剩下黑洞，它反而成了最少离
奇性的解释。哈利德1146＋111的情况所需要的黑洞质量在"2到10"M之间，而且只
能是原初黑洞，这个巨大的质量远远超出黑洞学家的想象

    但是在接受这种极端的解释之前，必须肯定哈札德1146＋111的确是引力幻景
。更精确的测量表明，它们的光谱并不一样，也就是说这两个像并不是源于同一个
类星体，而是相互靠得很近的两个类星体。这是宇宙弦和超黑洞的梦的终结。这里
细述这个故事，只是想说明科学研究中常有这种混乱。一个轰动性发现的宣布（并
引起新闻媒介的注意），其背后常常只是对不精确的资料作了错误的解释，随后所
作的更好的测量又把这个发现送回到"正常"的行列，从而再次证明简单性原理的中
肯：最"经济"的即最"平凡"的（没有任何贬义）假设，几乎总是正确的。

    在巨型黑洞之后，再来看看恒星级质量黑洞的情况（包括原初的和后来形成的
）。这种黑洞的直径只有几公里，所以即使是处在我们银河系内并且近到只有几十
光年的距离上，其视直径也会很小，以至与一颗更远处的恒星排成一线的可能性就
微乎其微。即使这种排列真的发生，由黑洞质量所决定的恒星不同像之间的角分离
，也会小得使目前和将来的望远镜无法分辨，那么就毫无希望了吗？不是。因为透
镜（即使是微型的）效应，并不只限于造出多重像，而是还能使像的强度增大，使
光谱变形。考虑我们银河系或邻近星系的晕里的一个微型透镜，它相对于遥远的（
因而被看作是固定的）类星作背景就有很缓慢的运动，排列成线的可能性就不再是
可忽略不计的了，引力幻景就会使类星体的光度和光谱出现短暂的变化。这个主意
还挺不错，以至于有些学者把整个一类有活动核心的星系（见第对章）都解释为微
型透镜的积累效应。几个深入细致的观测计划正在进行之中，其目的主要倒不是探
测恒星级黑洞，而是要证实在星系晕里聚集着大量很小而暗弱的恒星。

    　暗物质

    现代宇宙学尚未解决的问题之一是所谓下落不明的质量。对星系运动的观测表
明，"可见"物质（无论是在光学、射电、红外或X射线波段可见）只占总质量的一
部分。可以举一个简单的例子来描述这个问题。许多星系聚集成团，形成束缚的引
力结构，并不散开到周围的宇宙介质里。如果这些星系团只由可观测到的单个星系
和星系际气体组成，则引力将不足以使它们聚集在一起，因此就必然存在暗物质，
在电磁辐射这种形式上是不可见的，但是能提供引力以维持星系团的存在。

    黑洞显然是这种暗物质的候选者（最新的说法是"褐矮星"，有时被不大礼貌地
称为"衰败星"，指的是质量小到只有太阳的百分之一，因而核心不能发生热核反应
的暗弱天体。关于微透镜的观测计划的基本目的正是要找到这种星），但是，各种
由观测得出的制约排除了大量巨型黑洞聚集的可能性（如在第门章将要看到的，很
可能所有星系的核心都有一个质量很大的黑洞，但要解决下落不明的质量问题，在
星系核外就还得有许多巨型黑洞）。比如说，如果质量远大于100万M的黑洞存在于
旋涡星系的晕里，即在聚集着绝大部分可见物质的星系核球和星系盘（见第17章）
之外，这种黑洞的存在将至少会以两种方式表现出来：第一，它们将作为引力透镜
而使遥远恒星的像多重化；第二，它们将使星系盘中恒星的速度增大，因而使盘变
厚。然而这些现象都从未被观测到。

    另一方面，质量为100万M的原初黑洞存在的可能性并未被排除。绝大多数星系
都是在宇宙历史的早期形成的，其核心的黑洞也可能是原初型的，甚至有可能黑洞
正是使星系得以形成的种子。

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