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黑洞存在的证据
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Mitchell C. Begelman 文 Shea 译 |
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黑洞是宇宙中常见的天体。每个星系都含有大量的（可能是上百万个）恒星质量黑洞，它们每一个都是大质量恒星爆发的产物。另外，几乎在每一个星系的中央都有一个超大质量黑洞，它的质量从几百万到几十亿个太阳质量不等。本篇文章将会讨论黑洞的类型，黑洞对其周围环境的影响，影响黑洞形成与生长的因素，以及确定黑洞的观测方法。 黑洞的引力非常强，以至于没有东西甚至是光也无法逃脱黑洞。在黑洞中心周围有限的区域内，所有光的运动轨迹都是向内的，空间和时间也被极大的弯曲，根本没有出路。 经典的黑洞由爱因斯坦广义相对论场方程的真空解所描述，这一解表明黑洞中存在着无法穿越的奇点。我们对奇点的性质还不了解，但是现有的物理定律在奇点附近都会失效。不过对于天体物理学家而言这并不重要，因为奇点隐藏在视界之内。而视界则决定了物质不可逃逸的范围。对于不旋转、不带电荷的黑洞，它的视界大小由史瓦西半径决定，Rs=2GM/c2，其中G是牛顿引力常数，M是黑洞质量，c是光速。如果有一个黑洞的质量等于太阳质量，那么它的史瓦西半径大约为3千米。尽管物质穿越视界进入黑洞的过程被认为是混沌而不可预测的，但是黑洞外的情况还是可以预测而且相对简单的。事实上，我们对黑洞的视界已经有了充分的认识和了解。 另外，黑洞也有它简单的一面。我们只需要质量、角动量和电荷这3个量就可以描述任何一个黑洞了。对于天体物理过程而言，电荷并不重要，因此我们只需要2个参数就可以了。在远离视界的地方，黑洞的引力场与有着相同质量的球形天体的引力场极为相似。如果太阳对称的坍缩成黑洞，地球的轨道不会发生任何的变化。黑洞主要就是通过测量其对周围天体的引力作用而被发现的。使用牛顿引力定律，天文学家发现在星系的中央存在着不可见的质量。如果这些质量不是来自黑洞，就是来自稠密的暗弱天体集团。但至少在两个案例中，用天体集团来解释会由于其过高的密度而更本行不通。尽管看上去可能不大，但是这一解释在其他情况下还不能完全被排除。同时，在X射线双星中存在着质量非常大的致密天体，如此大的质量不可能是中子星或者其他由压力维系的天体，因此黑洞成了唯一可行的解释。在绝大多数情况下，测量引力作用的尺度都比假设的视界大几个数量级，所以证明这些天体是黑洞的证据都是间接的，而且是基于排除其他可能性而得出的。 然而，在很多情况下，我们可以观测到位于黑洞视界旁的气体所发出的辐射，或者是源自视界周围区域的高速等离子喷流。黑洞研究的一个主要目的就是通过观测来确定视界附近的时空结构，进而检验广义相对论的预言正确与否。例如，我们现在正致力于测量黑洞的自转所造成的类似龙卷风状的时空扭曲。  视界附近的物质所释放出的能量是巨大的，这会对黑洞的环境产生显著的影响。星系中心的超大质量黑洞维系着数千光年范围内气体的能量平衡，它们可能在星系形成的过程中扮演了重要的角色。而大质量恒星坍缩成黑洞则可能是γ射线暴的触发机制。因此，黑洞不仅仅是令人惊讶的物理实体，而且还是极端情况下的物理实验室，另外它们也在我们深知的一些天体物理现象中起到了重要的作用。为了了解恒星、星系和其间的气体，我们就必须了解黑洞的形成，以及它对周围环境的影响。 黑洞的类型 现在的观测已经发现了两种不同类型的黑洞。大质量恒星坍缩会形成恒星质量黑洞。除了在最近的微引力透镜巡天中发现的两个之外，现今发现的所有恒星质量黑洞的候选者都位于X射线双星系统中。在这一密近双星系统中，物质会被从普通恒星吸积到黑洞周围，当物质在穿过视界前会发出X射线。在X射线波段的变化时标以及光谱峰值显示辐射的区域极为致密（小于几百千米）。为了从吸积的中子星（也存在与X射线双星系统中）中区分出黑洞候选者，就要确定它们的质量必须大于中子星的质量（通常大于2-3个太阳质量）。通过测定双星轨道的一些参数，包括轨道周期、普通恒星的轨道速度、普通恒星的半径和光谱型以及轨道平面相对于视线的倾角，再使用牛顿定律就可以估计出致密天体的质量。通常根据这一方法，我们可以得到致密天体的质量下限，在许多观测到的案例中这一下限足以排除质量最大的中子星。 另外，不太可能找到独立的或者是位于没有相互作用双星系统中的恒星质量黑洞。因为它们无法获得足够的气体，进而使它们被观测到。对于质量大于20个太阳质量到40个太阳质量之间的恒星都有可能会形成黑洞，由此估计在银河系中大约有1千万到10亿个恒星质量黑洞。这一估计存在如此大变化范围是由于初始质量函数、恒星形成过程以及复杂的恒星坍缩计算中的不确定性所造成的。 而在星系的中心则存在着超大质量黑洞。它们最初被提出来是用来解释类星体的巨大能量输出，而且现在我们知道它们是所有活动星系核（AGN）的能量来源。尽管100个星系中只有1个处于活动状态，但是我们知道几乎所有星系的核心都有超大质量黑洞。这些黑洞的吸积率比较低，而且它们的亮度也比根据可吸积气体总量计算的值要小得多。所以只能通过它们对远距离恒星和气体的引力作用才能发现它们。 有关超大质量黑洞的最有力的动力学证据来自银河系。红外、射电和X射线观测发现一个有一群恒星围绕的致密非恒星辐射源Sgr A*。通过测量这些恒星的自行和视向速度，可以推论出在Sgr A*的位置上存在着一团质量为300-400万个太阳质量的不可见物质。这群恒星中有数颗恒星的轨道以被精确测定，范围涵盖了1000个史瓦西半径（大约是地球轨道半径的60倍）。Sgr A*发出的射电辐射和X射线暴可能源自于黑洞在小吸积率情况下对气体的吸积。  第二个有关超大质量黑洞的强有力证据也同样惊人。对NGC4258核心水分子脉泽辐射的观测显示其拥有一个几近完美的开普勒薄盘。使用甚长基线干涉仪天文学家测量了吸积盘中3个区域脉泽的视向速度、自行和加速度，由此确定的旋转曲线与开普勒模型精确吻合，进而精准的计算出了黑洞的质量为3千9百万个太阳质量。尽管脉泽的区域距离中心大于4万个史瓦西半径，但除了用吸积盘中央的单个致密天体解释之外无法用其他的方案来更好的解释观测到的旋转曲线。 通过对星系核心处恒星速度弥散以及旋转曲线的测量，也获得了一些邻近星系存在超大质量黑洞的动力学证据。这些测量的区域距离星系中心通常都大于10万个史瓦西半径，所以这些证据不如银河系和NGC4258的观测证据那么有说服力，但是这些证据也强烈暗示了在星系的核心存在着大质量的不可见物质。 超大质量黑洞的质量也与其寄主星系的特性紧密相关，预示了黑洞的形成与星系的形成息息相关。这一内在联系的本质目前尚不清楚。但观测表明，黑洞的质量与星系核球的质量大致成线性关系，而且它与核球的速度弥散σ关系更为紧密，呈现出M∝σ4的关系。  对类星体的观测显示超大质量黑洞是通过吸积气体而并非是通过小黑洞合并而形成的。即使由黑洞释放的能量中只有一小部分以动能的形式出现，它也足以驱散寄主原星系中的气体。因此通过向环境释放能量，超大质量黑洞可能会限制自身的成长，或者甚至是限制寄主星系的成长。这些反馈作用导致了一些已经被观测到的黑洞与寄主星系之间的一些关系。事实上，源自吸积黑洞的反馈效应可能在邻近的活跃星系团中也起到了重要的作用。另一方面，星系形成中的动力学过程导致了在中心区域物质的聚集，最后这些物质便形成了黑洞。 有意思的是，还有可能存在第三种黑洞，也就是所谓的中等质量黑洞。它填补了恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间的空缺。它们可能是宇宙早期星族Ⅲ恒星或者是星团中由合并而形成的巨大恒星爆发所产生的。它们的存在与否将有助于我们了解黑洞形成的条件，以及黑洞是通过合并还是通过吸积成长的。但是现在还没有中等质量黑洞确凿的观测证据。观测表明一类被称为极亮X射线源的X射线双星系统可能和中等质量黑洞有关，只有这样这些系统才能在强大的辐射压下免于被瓦解。对于极亮X射线源的观测显示，其吸积盘的温度要低于恒星质量黑洞旁的吸积盘温度，这支持了中等质量黑洞的解释。但是通过非各向同性辐射以及恒星质量黑洞吸积盘的辐射流体力学效应也可以解释观测到的极亮X射线源。现在还有一些球状星团中速度弥散和微引力透镜巡天的观测证据，但是都还不够充分。 黑洞对周围物质的作用 黑洞无法吞噬每单位质量角动量超过～2Rsc的物质。从天体物理的角度来讲，这是一个非常小的量。例如，为了使地球掉入太阳坍缩成的黑洞，那么地球就必须损失其99.99%的轨道角动量。与公众的看法相反，黑洞并不是宇宙“吸尘器”。在黑洞引力场作用下绕转的气体会通过磁旋转不稳定性向外部的气体转移角动量。由于存在轨道运动的剪切作用，在几个轨道周期之后，原先微弱的磁场会得到充分的放大，达到接近气体压力的程度。由此导致的磁场径向和切向分量会产生一个力矩，使得角动量相外转移。尽管属性完全不同，但磁场压力和剪切粘滞力起到了相同的作用。对于粘性流体，由磁旋转不稳定性导致的角动量转移必然会伴随能量的耗散。 如果气体能有效的辐射这些能量，那它将会形成对称的开普勒薄盘。在这个吸积盘中的气体会沿着近圆的轨道逐渐向内运动，直到它们达到最内层稳定圆轨道（ISCO）。一旦进入ISCO，气体就可以不损失角动量的掉入黑洞。ISCO位于视界之外，对于不旋转的黑洞其位于3Rs处，对于旋转的黑洞它会更靠近黑洞。吸积盘的辐射总能量相当于ISCO处引力势能的一半，另一半则以轨道运动动能的形式出现，它最终将和气体一起消失在黑洞中。如果ISCO内的压力可以忽略，那么对于非旋转黑洞，其吸积的物质可以释放出其静止能量的6%，而对于一个高速转动的黑洞，这一比例可以达到42%。如果磁场可以穿越ISCO，那么这一效率会更高。这一远大于热核反应～1%效率的产能率足以为类星体提供充足的能量。而且事实上，吸积盘是X射线双星系统和AGN的重要能量引擎。 而通常情况下，黑洞吸积的气体往往无法有效的辐射。耗散的能量会以热量的形式出现，由此产生的压力会使薄盘变成厚盘。如果以Rs为单位，温度和其到黑洞的距离成倒数关系。但这一比例小于103时，气体的温度会超过109K，而且此时电子运动的速度也会接近光速。在这种情况下，电子会迅速损失能量。如果它们可以从不能有效辐射的离子处得到源源不断的能量补给，它们就会从吸积流中带走热量，进而形成薄盘。这预示了不辐射吸积流中的气体可能具有两个特征温度，这是由于电子温度低于离子温度所造成的。即使库仑碰撞无法使电子和离子处于平衡，但等离子体不稳定性也会促使在这两者之间发生能量交换。这一过程之所以没有发生说明了磁能密度相对热压力还比较小。 如果吸积的能量无法有效的释放，那么它们会去哪儿呢？一种可能的情况是它会消失在黑洞中。但是这会引发严重的稳定性问题，几乎是不可能的。原因是能量会通过力矩作用向外传递，这会使得外部的物质获得过多的能量，进而逃逸出黑洞的引力场。其结果是只有一小部分的气体真正被黑洞吸积，其余的气体可能在它们靠近视界前就被驱散了。这可以解释为什么超大质量黑洞其周围有着极丰富的气体，而它的亮度却相对比较低。向外传递的能量也会导致一个陡峭的密度分布轮廓，使得靠近视界的气体的辐射降低。  相对论喷流是黑洞旁最惊人的物质外流现象。观测显示喷流可能是被磁场在黑洞附近准直加速的。在AGN中它们的速度可以达到光速的90%-99.9%。而且在很多情况下，在距离黑洞很远的地方这一相对论速度和高准直性依然得以保持。 喷流也许是吸积盘排遣剩余能量和角动量的最普遍方式，在原恒星中也会出现非相对论的喷流。但是，黑洞喷流的能源并不局限在吸积流中。磁场通过BZ效应也可以从旋转黑洞抽取能量。因为黑洞的旋转能存在于视界外的时空中，因此黑洞自转的减速并不违背任何的物理规律。理论上，黑洞29%的静止能量可以通过这种方式被释放。如果磁力线与黑洞自转耦合并且布满整个吸积盘，BZ效应也会使得吸积盘的亮度增大。 吸积作用和BZ效应对喷流的贡献还不确定。在AGN中大约只有10%拥有喷流，其中一些系统的吸积流与没有喷流的系统没有什么差异。有意思的是，拥有喷流的AGN几乎都是椭圆星系，这难道说明黑洞知道在大于其视界8个数量级尺度上的星系结构？按照自转假说，这是由于椭圆星系中黑洞的自旋接近合并造成的最大比率，进而通过BZ效应所形成的。但是其他研究则显示黑洞的旋转可能并不与其环境紧密相关。其他因素，例如磁场构形或者是吸积流的边界效应，可能在决定喷流形成中也起到了重要甚至是极为重要的作用。 在这种情况下，微类星体也值得注意。虽然微类星体的喷流并不连续，但是在爆发之后就会突然在吸积盘的内部出现喷流。因为视界附近的动力学时标与黑洞质量成正比，因此AGN的喷流可以持续成百上千年，而微类星体的喷流则只能持续几分钟到几天，所以不太容易被观测到。正如下面所要讨论的，微类星体的加速现象也许可以使我们测量出黑洞的自转，进而验证自转假说。 它们真是黑洞吗？ 尽管观测到了黑洞对环境作用的压倒性证据，但是这并不能证明我们观测到的不可见物质或者致密星就是黑洞。只要引力势阱足够深，例如中子星，通过吸积过程就能释放出巨大的能量。为了确认黑洞的存在以及在强引力场极限下检验广义相对论，我们就必须想办法去测量视界旁的时空弯曲。这些观测已经大规模的展开，并且取得了一定的成果。值得注意的是，视界是黑洞唯一显著的特征。另外只要中子星足够致密，也会有ISCO。而且对于任何具有角动量的天体，它也都会对惯性参考系有拖曳作用，只不过高速旋转黑洞的这一效应更为明显。这三个现象都是由广义相对论预言的时空弯曲的结果。 事实上，很难从观测上找到视界的证据。除了对质量估计之外，X射线双星观测的致命弱点是无法区分中子星和黑洞。中子星有一个表面可以阻止物质的下落，而黑洞的视界物质可以自由穿过，因此吸积的中子星会呈现出额外的亮度，而由于物质撞击中子星表面其光谱也会显现出特有的形态。虽然目前还不清楚这两个光谱的区别，但是我们知道含有黑洞或者中子星的X射线新星的X射线光度是有差异的。为了进行有意义的比较，样本必须被严格控制，所以这些双星系统必须有相似的质量转移率，这被认为与轨道周期有关。比较的结果是具有建设性的，但并不具有确定性。质量转移率与外层吸积流的物质供给量有关，并不是真正抵达致密星的吸积率。由于内层吸积流无法有效的辐射能量，因此只有一小部分补充进来的物质会抵达致密星。另外，目前还不知道这些系统之间的吸积率是否存在差异。因为爆发时会残留一些吸积的能量储存在中子星的外壳中，在其处于宁静态时会放出辐射，因此现在甚至还不能确定我们观测到的辐射就能反映吸积率的大小。 探测与ISCO相关的现象是比较好的选择。ISCO不仅取决于黑洞的质量，还跟黑洞的自转有关，它给出了吸积盘最内部的特征半径。对铁离子极宽的X射线谱线的观测为ISCO附近类盘流提供了直接的证据。这些谱线被认为是由于相对低温的光学厚气体在光学薄的盘冕中暴露于硬X射线下所产生的荧光所造成的。如果这些荧光气体形成于吸积盘的内部，那么在其谱线的蓝端就会由于视向的多普勒效应形成较窄的高能区域，而在其红端则会由于引力红移和横向多普勒效应的共同作用形成较宽的低能区域。最好的观测例子来自塞弗特星系MCG–6-30-15，它的高速变化显示这些谱线是在非常靠近视界的地方所形成的。尽管由于盘冕的结构可能会受到影响而且辐射也可能来自ISCO的内侧，进而导致拟合的结果并不理想，但是谱线的轮廓将有助于我们推测黑洞的自转。在一些观测中，铁的谱线可以揭示出旋转黑洞耗散的旋转能以及聚集在吸积盘内侧的能量。MCG–6-30-15和微类星体XTE J1650-500极端红移的发射线很难与由吸积而产能的模型相匹配，所以旋转黑洞成为了可能的解释。  [图片说明]：由XMM-Newton卫星观测到的MCG–6-30-15的铁Kα谱线。 除了提供了一个特征长度之外，ISCO还提供了一系列的特征时标，包括轨道时标，近圆轨道摄动的垂直和径向振荡的时标，以及与旋转黑洞相关的坐标系拽引的进动时标。因为这些时标不取决于吸积流的气体动力学特性，而仅仅是黑洞的时空特性，它们应该具有与光度或者光谱变化无关的频率。而且这些频率应该与吸积的黑洞紧密相关，从AGN的几微赫兹到X射线双星的几百赫兹不等。现在至少已经在5个微类星体中发现了稳定的高频准周期振荡（QPO）。其中3个显示出了频率成简单比的QPO对，预示了共振效应的存在。尽管目前QPO的调制机制还不清楚，但是吸积盘的盘震模型可能是一种解释。按照广义相对论，径向振荡频率在ISCO之外会达到最大。结果是吸积盘内部的会形成一个共振腔，并且捕捉和放大不同模式的波，进而在某些特征频率上形成共振。有关的模式、放大机制以及特征谱线还有待识别。一旦做到这一点，我们就可以像测定黑洞的质量一样测定黑洞的旋转，以及其他的时空弯曲特性。 进一步的观测 在过去的5年内出现了大量证明黑洞存在的证据，而且有理由相信这些证据会越来越多。现在的卫星会继续高分辨率的X射线光谱和时变观测，下一代的X射线天文台，例如X星座（Constellation-X），也会加入其中。长期的观测将有助于监测在微类星体或者大质量的系统中是否存在着稳定的QPO。对黑洞自转和质量的进一步认识有利于我们了解黑洞是如何形成的。一个更长远、更理想化的目标是通过X射线干涉仪直接对黑洞旁的吸积盘成像。 当X射线观测探测黑洞旁静态的时空时，引力波探测将使我们可以研究黑洞形成和合并时的时空动力学变化。下一代的激光干涉引力波天文台（LIGO）将会揭示大质量恒星快速坍缩成黑洞的过程，并且告诉我们γ射线暴是否是恒星质量黑洞诞生的标志。而激光干涉空间天线（LISA）更适合探测超大质量黑洞，它会向我们展示恒星质量的天体掉入黑洞的过程，或者超大质量黑洞双星系统合并的过程。 数值模拟也在发展，届时我们可以对黑洞的吸积过程进行3维的磁流体动力学模拟，广义相对论的程序也正在被研发和测试。我们希望这些程序也可以用来模拟微观的气体，进而回答“在吸积过程中磁能是如何耗散的？”，“两种不同温度的吸积流是否可能存在？”，“吸积流如何驱散物质和能量？”，“是什么驱动喷流？”等一系列问题。同时我们也希望在模拟中了解黑洞对其大尺度环境的影响。再加上宇宙学模拟和反馈效应计算之后，也许可以弄清楚“M-σ”关系的成因和黑洞在星系形成过程中的作用。 随着理论上对物质的基本结构、时空的量子特性以及其他维度研究的深入，物理学家将进一步研究黑洞的内部结构。对公众而言，黑洞仍然是“消失”和“神秘”的代名词。而对于天体物理学家而言，黑洞已经成了司空见惯的天体了。当我们知道它们的形成以及对周围环境所产生的影响时，我们就会了解黑洞在星系的形成和演化过程中所起到的作用了。 |
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出自：Science
发布日期：2003-06-20
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2001-2009 火流星工作组制作
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