黑洞转换能量率42％，相似于中子星紧密双星被确认为黑洞

我们已经知道黑洞的存在，这些引人入胜的天体位置多在许多星系的中心。但是因为它的独特“个性”，研究者要了推断它们的存在，必须依靠两种间接的论证路线。首先，在靠近星系中心

，恒星运动得极快，以致除有一种巨大质量——大到相当于10亿个太阳——的引力拉住它们，否则它们就会飞走。具有如此大质量的东西，一定是极其紧密的，除了黑洞别无选择。其次，许

多星系中心和双星系统以极大的速度喷涌出辐射和物质，它们一定包含着能量的非常高效的机构。理论上说，最高效的就是黑洞。接下来，我们具体看一下黑洞的各种特性。不过，这里所要

涉及的名词会比较专业，你不明白的话可以翻翻书或者上网查一下，我想你会找到答案的。

浓密和稀薄

黑洞之所以成为如此高效的机器，是由它们的强大的吸引力使然，黑洞的边界是这样一个表面：没有什么东西能从那里逃出，即使是它以光速运动。接近黑洞的物体以相应的极其高的速度被

拉向边界，途中它们可能跟别的碎片相碰。并且在碰撞过程中，物体在靠近黑洞的地方变热。

因为物体正以接近于光速的高速度运动，根据质量守恒定律，它转换成热的动能类似于它们静止时质量的固有能量。由于物体要返回远离黑洞的起始点就需要让它相当一部分质量转换成能量

，在这个意义上，黑洞把静止质量转换成了热量。

不过黑洞不能以任意快的速率旋转；超过某一最大速率，黑洞表面就不再存在。黑洞以接近于最大可能的速度旋转时，就会把42％的陨落物体质量转换成能量。相反，静止的黑洞只能支配6％

的陨落物体。

如果环绕黑洞的粒子能够分享它们的能量(比如由于碰撞)，那么陨落物质可以达到难以想像的温度。刚好在边界之外的质子的平均温度，相当于它的许多质量转换成能量——大约1013摄氏度

。在这样高的温度下的物质发出很强的伽马射线。但是尽管质子易于变热，却不善于辐射能量。它们宁可在碰撞中把能量转换成别的的放射体，比如电子。电子放出能量较低的X射线。因此天

文学家会看到从一个浓密的电子区域里流出X射线。

事实上那正好是天文学家在X射线双星系统中所观察到的。天空中最亮的X射线源被认为是由其轨道是围绕看不见的物体的普通恒星所组成的。其中有一些是连续辐射的，另有一些称做X射线瞬

变的，只有在几个月里才能看到一回，它们在静止状态中耗去大部分寿命，即使放出了X射线也少得可怜。不过在辐射爆发时，它们以X射线的形式放射出1030—1031瓦，是太阳总输出的100，

000倍。可以说是养精蓄锐百日而一朝一鸣惊人。

取脉冲

黑洞的论证也适用于中子星。虽然中子星不像黑洞那样功率强大，但仍不失为“体魄强健”的机体。靠近中子星的物体能以一半的光速碰撞中子星的表面，从而转换为能量，转换的效率约为

10％，与典型的黑洞效率相差不多。

天文学家当然知道许多双星系统中的紧密物体并非黑洞。像单个脉冲星一样，双星中的射电脉冲星也被认为是快速旋转的，旋转使得中子星磁化。黑洞不能有磁场，它们近乎无特征物体，不

能像在脉冲星上观察到的那样产生有规律的脉冲。与此相似，X射线脉冲星也不是黑洞。任何有规律的、稳定的脉动都排除了黑洞的存在的可能。即使是不规则的X射线爆发也应该是中子星，

因为它提供了可以积聚物质的表面，并不时地产生爆炸。然而反过来却是不正确的——没有脉冲或爆发并不意味着就是黑洞。

抵抗引力

中子星的密度很大，以致电子衰退都不能抵抗引力。原子受到压力，质子和电子紧密结合成中子，原子核就消失了。原子结果成为中子球。这些粒子不能都占据相同的能级，所以堆积起来产

生向外的压力。

对衰退核物质的性质，我们知道的不多。因为中子间的强相互作用必须考虑进去。因此研究者搞不清中子星的最大质量，虽然用简单的论证可以弄清其绝对质量。衰退恒星中引力拉牵随质量(www.xing528.com)

增大而增大。要抵抗这种增强了的拉牵力量，物质必须更加浓密。超过某一临界质量，它的浓密增长得比光速还要快。这违反相对论的基本原理。这个临界质量大约6倍于太阳质量。按照美国

、法国、日本的专门小组更详细的计算，最大质量实际上低于3个太阳质量已知的中子星质量决不会超过2个太阳质量。

通过排除法知道，天文学家所称的黑洞，或者不大精密的称作黑洞候选物——“嫌疑犯”，都是质量大于约3个太阳质量的精密物体。在双星系统中，恒星速度结合轨道运动的开普敦定律，能

够为星体质量确定一个较低限。天文学家现在已经知道七颗X射线瞬变双星，这里的紧密物体无疑是满足这个黑洞判据。再加几个附加假设，他们已经估算出这些黑洞的真正质量在4～12个太

阳质质量间变化。

如果能证明另外一个为中子星所不具备的特性——黑洞没有坚硬的表面，那么把这些物体辨认为黑洞更加可靠了。事件视界就是一个物质不能返回得界面；无论什么东西掉入这个界面，就从

我们的宇宙永远消失。

如果有一滴等离子体掉进黑洞，由于没有足够的的时间让它辐射能量，热量和物质就一起被拉了进去。它的热量决不会让遥远的观察者观察到；它将“平流”通过视界，从此消失。这种损失

并不违反质—能守恒定律，因为热能不会同黑洞质量混合。但是它会大大减少黑洞机器的视效率。相比之下，若是热等离子体掉到中子星上，它的所有热能最终会辐射出来，不是被等离子体

自己，就是被中子星的表面。

向下流入

物质骤然向紧密物体落下来，并不一直掉进紧密物体中去。由于角动量守恒，它落入大体上为圆形的轨道。只有在有摩擦力时，它才会从那里远远掉下去。同时摩擦力还要使增长气体升热。

如果气体有效地冷却下来，它就失去轨道能，形成平而薄的结构——一个增长盘。在许多双星系统中已经观察到这样的盘。但是如果它有ADAF时，冷却无效，物质将近乎球形。

有一类双星系统叫静止态瞬变现象，看起来包含着双组分增长盘。这些系统大部分时间在静止态中度过。从静止态中观察到的大部分微弱辐射是由ADAF放出来的。它们偶尔放出一辐射的强爆

发。因为ADAF内在的稳定性，这些突然爆发一定是在外盘中触发的。

1996年4月20日，一个天文学家组——麻省理工学院的曼克林托克，R 黎米尔赖德，宾夕法尼亚大学的卜奥罗兹和耶鲁大学的C．贝林——正在观察X射线瞬变GROJl655—40。看起来好像观察出

了毛病，但事情立刻就明白了，他们捕捉到一个非常罕见的事件：一次突然爆发。真是幸运!在接着的5天里，系统的可见光亮度增大了，但X射线仍然检测不到。

到了第6天，X射线开始放射。正如斯特累斯堡天文台的J—M 哈米来、曼克林托克、纳拉扬所证明的那样，延期恰好是我们期望于双组分增长流的。外盘远离黑洞，放射的是光而不是X射线。

这样，当一次突然爆发开始时，只看到可见光波长。接下去，物质更急速地向黑洞扩散，稀薄的ADAF区域充填起来，直到开始放射X射线。观察结果是绚丽的，它是这个理论的意外证明。

天体物理中心的纳拉扬，曼克林托克和M 加西亚应用静止态X射线瞬变首次提出定量的判据，把坚硬表面物体(中子星)和没有坚硬表面的物体(黑洞)区别开来。随后，科学家提出一个不同的判

据，它是基于这样的事实：静止态中子星瞬变应当比以相同速率增长的黑洞亮。虽然增长速率不能直接测量，但轨道周期却能充当代理人，因为两种周期相同的物体应该以大体相同的速率吞

噬物质。综上所述，研究者们期望黑洞系统比相同轨道周期的中子星暗淡。由于这种系统的轨道周期只有少量是知道的，所以所期望的区别至今还没有建立起来。即便如此，对于任何给定的

轨道周期，已被确认了的黑洞的确比中子星暗淡。

虽然最近的工作在简单ADAF模型上有一些麻烦，因为它不考虑外流量。然而更一般的模型仍然要求黑洞的存在以重现观察结果。流入黑洞的模型仍然是非常活跃的研究领域。总之，过于厚重

以致不能是中子星的物体，现在可以把它从黑洞候选物目录中挪到被确证了的黑洞上去。只有有事件视界的物体才能引起能量以天文学家对这些系统所推断的那种方式消失。即将得到的由轨

道X射线天文台(如Chandra和XMM)提供的观察结果应当加入这个清单。黑洞也许还是黑的，但是它们不再能在伪装下藏匿起来。因为我们正在学会如何撩开它们的面纱。