根據(jù)星團(tuán)、恒星和盤的有關(guān)物理學(xué)，黑洞是宇宙不可避免的產(chǎn)物。
20世紀(jì)30年代，研究宇宙線的天文學(xué)家見證了一個(gè)“奇跡”發(fā)生的時(shí)刻。他們發(fā)現(xiàn)了一種新的粒子——μ介子，它像電子一樣帶一個(gè)負(fù)電荷，但質(zhì)量卻介于電子和質(zhì)子之間。這一發(fā)現(xiàn)是如此令人吃驚，而這種粒子又是如此的意料之外，使得諾貝爾獎(jiǎng)得主伊西多?艾薩克?拉比（Isidor Isaac Rabi）不禁調(diào)侃道：“這是誰點(diǎn)的？”
對(duì)于今天的很多人來說，能引起同樣反應(yīng)的事物已不再是介子，而是黑洞。天文學(xué)家已經(jīng)知道質(zhì)量最大的恒星會(huì)以超新星爆炸的方式死去，留下一個(gè)質(zhì)量約3～20個(gè)太陽質(zhì)量不等的黑洞。他們還相信，在絕大多數(shù)星系的中心存在著質(zhì)量為太陽的100萬～100億倍的超大質(zhì)量黑洞。
這又是誰點(diǎn)的呢？為什么天文學(xué)家會(huì)認(rèn)為這些質(zhì)量如此之大、體積又如此之小的天體無處不在？難道是天文學(xué)家們鐘愛這些連光也無法逃逸的極端天體？
回答并非如此。其實(shí)，許多天體會(huì)非常自然地演變成黑洞。盡管令人生畏，但主宰這些演化過程的規(guī)律卻十分普通。
由引力束縛在一起的所有天體，其演變的過程都是相似的。這些自引力系統(tǒng)包括恒星、星團(tuán)和星系，但并不包含小行星或人體這樣的固態(tài)物體，它們是由靜電力結(jié)合在一起的。
自引力系統(tǒng)會(huì)朝著它們所能達(dá)到的最緊密的引力束縛態(tài)演化。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，它們會(huì)形成一個(gè)體積較小且質(zhì)量較大的核心，但代價(jià)是在外面會(huì)形成一個(gè)較為彌散的暈。不同的天體系統(tǒng)之間在細(xì)節(jié)上會(huì)存在差異。但共同的結(jié)果始終是有一部分的質(zhì)量會(huì)在中心處形成一個(gè)小而致密的天體。行星、白矮星和中子星正是這些終端產(chǎn)物，它們一般不會(huì)再進(jìn)一步演化。然而，如果質(zhì)量足夠大，沒有什么能阻止白矮星或中子星進(jìn)一步收縮，引力最終會(huì)勝出。這正是為什么黑洞能在各種不同的情況下形成的原因。
草帽星系位于室女座，是一個(gè)幾乎側(cè)向?qū)χ厍虻钠胀ㄐ郎u星系。它包含了一個(gè)核球和一個(gè)盤。天文學(xué)家認(rèn)為其核球的形成方式與橢圓星系的如出一轍，是通過兩個(gè)星系間的碰撞與并合而形成的。版權(quán)：NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScI/AURA)。
球狀星團(tuán)核心坍縮
形形色色的天體都有著相似的演變路徑。即使是沒有黑洞的系統(tǒng)最終也會(huì)形成致密的核心。這一演化的絕佳范例就是球狀星團(tuán)。它們是我們可以考慮的最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，因?yàn)榍驙钚菆F(tuán)只包含恒星，而恒星間僅通過引力發(fā)生相互作用。恒星之間不會(huì)碰撞。恒星與恒星之間引力的強(qiáng)弱和它們之間距離的平方成反比。當(dāng)恒星彼此靠近時(shí)，它們之間的引力會(huì)變強(qiáng)得多，進(jìn)而散射對(duì)方，有時(shí)這一過程會(huì)非常劇烈。那么，接下來會(huì)發(fā)生什么呢？
與之類似的一個(gè)日常生活中的例子可以為我們提供答案。設(shè)想在一個(gè)漏斗狀的滑冰場(chǎng)上有許多滑冰的人。假設(shè)冰面沒有摩擦，所以只要不受其他人的干擾，任何一個(gè)滑冰者都會(huì)不停地沿著圓形或者橢圓形的軌跡繞滑冰場(chǎng)漏斗的中心運(yùn)動(dòng)。漏斗的形狀意味著越靠近漏斗中心的滑冰者就必須滑動(dòng)得越快，就像開普勒定律所描述的行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)。
位于飛馬座的球狀星團(tuán)M15是銀河系中最致密的星團(tuán)之一。其數(shù)十萬顆恒星之間無數(shù)次的交會(huì)使得質(zhì)量較大的恒星下沉到其核心，而質(zhì)量較小的則被拋射了出去。迄今銀河系中只有大約20%的球狀星團(tuán)經(jīng)歷了這樣的核心坍縮過程。版權(quán)：NASA/ESA。
假如滑冰場(chǎng)上的滑冰者很少，那么它們彼此之間就幾乎不會(huì)相互干擾，每一個(gè)人的運(yùn)動(dòng)軌跡幾乎都獨(dú)立于其他人的運(yùn)動(dòng)軌跡。不同的滑冰者會(huì)沿著不同的方向以不同的速度運(yùn)動(dòng)，越靠近中心，速度越快。類似地，在球狀星團(tuán)中，恒星到其中心的距離各不相同，它們會(huì)沿著隨機(jī)的方向以近乎隨機(jī)的軌跡運(yùn)動(dòng)。
現(xiàn)在讓我們來研究一下當(dāng)滑冰者——恒星也是一樣的——彼此靠近時(shí)會(huì)發(fā)生什么。在最簡(jiǎn)單的情況下，所有的滑冰者都有著相同的質(zhì)量。當(dāng)兩個(gè)滑冰者足夠接近彼此時(shí)，他們就可以握住對(duì)方手。如果假設(shè)只要能抓到另一方的手，他們就會(huì)把對(duì)方甩出去，那結(jié)果就是這兩個(gè)滑冰者會(huì)改變各自的運(yùn)動(dòng)方向，但運(yùn)動(dòng)的速度不變。在經(jīng)過了許多次這樣的相遇之后，不同滑冰者的軌道會(huì)重新分布，但整個(gè)系統(tǒng)幾乎沒有發(fā)生變化。
現(xiàn)在想象一下在滑冰場(chǎng)中有一個(gè)滑冰者比其他人的質(zhì)量要大得多。當(dāng)大質(zhì)量的滑冰者和一個(gè)質(zhì)量較小的滑冰者彼此握手將對(duì)方甩出時(shí)，由于碰撞過程傾向于能量均分，因此大質(zhì)量的滑冰者會(huì)減速，而質(zhì)量小的則會(huì)加速。
這個(gè)滑冰場(chǎng)忠實(shí)地再現(xiàn)了在球狀星團(tuán)中所發(fā)生的過程。如果一個(gè)滑冰者突然增速，就運(yùn)動(dòng)到遠(yuǎn)離中心的地方，甚至有可能從該系統(tǒng)中逃逸。與此同時(shí)，質(zhì)量較大的滑冰者會(huì)減速，落向中心。在這一過程中，其速度必然要增加，因?yàn)樵娇拷行?，運(yùn)動(dòng)速度越大。
在經(jīng)過了許多次的交會(huì)之后，演化的趨勢(shì)是使得質(zhì)量較大的滑冰者落向中心，質(zhì)量較小的則遠(yuǎn)離中心。當(dāng)這種情況發(fā)生在一個(gè)球狀星團(tuán)內(nèi)時(shí)，該過程被稱為核心坍縮，而小質(zhì)量和大質(zhì)量恒星分離則被稱為質(zhì)量分層。于是，在星團(tuán)的中心附近聚集著許多大質(zhì)量的恒星，而這些恒星在其軌道上會(huì)以更高的速度運(yùn)行。
即便所有的滑冰者都有著相同的質(zhì)量，類似的情況也會(huì)發(fā)生。當(dāng)質(zhì)量相同的滑冰者甩出彼此時(shí)，雖然速度的大小不變，但他們的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)改變。不過，這僅僅是近似。不同的滑冰者有著不同的運(yùn)動(dòng)速度，所以即便他們有著相同的質(zhì)量，各自的動(dòng)能也不盡相同。交會(huì)會(huì)仍傾向于均分滑冰者之間的動(dòng)能。速度快的會(huì)傾向于減速并落向中心，而速度慢的則會(huì)增速并向外攀升。核心坍縮過程仍會(huì)發(fā)生，只是速度會(huì)慢得多。
恒星和星團(tuán)的演化
現(xiàn)在讓我們來討論滑冰者或者星團(tuán)的演變，為此需要給它注入一道由高溫處流向低溫處的熱流。溫度是對(duì)構(gòu)成物體的粒子在微觀層面上振動(dòng)速度的一種度量。振動(dòng)的速度越高，溫度就越高。在星團(tuán)中，恒星的平均速度可以與某一個(gè)溫度相連。為了維持其軌道，距離中心較近的滑冰者或天體必須以較高的速度運(yùn)動(dòng)。于是，越接近中心的地方，溫度就越高。當(dāng)速度較快的滑冰者甩開較慢的時(shí)，后者會(huì)被加速，這相當(dāng)于熱量從溫度高的地方流向低的地方。正如在地球上熱量會(huì)從高溫的火苗流向低溫的空氣，在星團(tuán)中熱量也趨于向外流動(dòng)。其結(jié)果是，星團(tuán)的核心變得更加致密，而其外層則會(huì)變得更加松散。
不過，這里存在著一個(gè)重要的區(qū)別。隨著星團(tuán)的核心變得越來越致密，在其中心附近就會(huì)聚集越來越多的物質(zhì)。因此，天體間的引力會(huì)變得更強(qiáng)，它們也必須運(yùn)動(dòng)得更快。這意味著，星團(tuán)擁有一個(gè)與我們?nèi)粘Ｉ钪庇X相反的特性。隨著熱量流出球狀星團(tuán)的中心，那里的溫度并沒有降低。相反，它卻升溫了。這不會(huì)發(fā)生在地球上一堆燒紅的煤炭上，也不會(huì)出現(xiàn)在當(dāng)你在冰冷的海水中游泳時(shí)。但這卻是軌道動(dòng)力學(xué)的基本行為特征。于是，任何一個(gè)有隨機(jī)運(yùn)動(dòng)恒星所構(gòu)成的星團(tuán)必然會(huì)演化出一個(gè)越來越致密、越來越熱的核心和一個(gè)越來越松散的外層。
雖然大熊座中的旋渦星系M81有著與銀河系相似的結(jié)構(gòu)，但它的核球要更為年老，也更為巨大。M81的核球極有可能形成于一次很久之前的碰撞以及之后與另一個(gè)星系的并合過程。版權(quán)：NASA/ESA/ THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScI/ AURA)。
為什么恒星以這樣的方式死亡？
對(duì)星團(tuán)演化的認(rèn)識(shí)可以直接轉(zhuǎn)化對(duì)恒星死亡的認(rèn)識(shí)。雖然在演化過程的細(xì)節(jié)上有所不同，但大的圖像卻是極為相似的。
在恒星一生中絕大多數(shù)的時(shí)間里，它都是由核聚變過程來驅(qū)動(dòng)的，該過程發(fā)生在溫度足夠高的恒星核心處，會(huì)把氫轉(zhuǎn)變成氦。由此釋放出的極端高熱會(huì)產(chǎn)生能抵御恒星自身引力的氣體壓強(qiáng)。熱量會(huì)從恒星表面流失，不過它們會(huì)由恒星內(nèi)部的核反應(yīng)來補(bǔ)給。所以，對(duì)于太陽來說，它在大約100億年的時(shí)間里幾乎不會(huì)有變化。這并不是意味著太陽真的沒有在“演化”。相反，這是由于其中央熱源所造成的演化推遲。
當(dāng)恒星的核心完全被轉(zhuǎn)成氦且溫度過低而無法點(diǎn)燃氦核反應(yīng)時(shí)，熱會(huì)繼續(xù)從核心流出，但卻無法再得到維系。恒星中心就會(huì)冷卻。氣壓會(huì)下降，引力獲勝。恒星的核心開始坍縮。但是，正如在星團(tuán)中所發(fā)生的，坍縮會(huì)使得溫度升高。這導(dǎo)致更多熱量向外流出，使得恒星變亮。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)流出的能量，恒星的外層會(huì)膨脹，成為一顆紅巨星，而它的核心卻在坍縮。星團(tuán)的演化與之類似。
接下去會(huì)發(fā)生的事情取決于氣體物理學(xué)，會(huì)有別于星團(tuán)的演化。恒星核心的溫度會(huì)變得極高，以至于原子會(huì)分解成可自由運(yùn)動(dòng)的原子核和電子。但是，電子具有一種基本屬性，除非被施加了巨大的能量，否則它們不會(huì)過于靠近地聚集在一起。這種抵抗擠壓的阻力稱為簡(jiǎn)并壓，它可以支撐住恒星的核心，只要它的質(zhì)量別太大。如果核心的溫度足夠高能夠開啟把氦轉(zhuǎn)化成碳的核反應(yīng)，那么由這些反應(yīng)所產(chǎn)生的能量會(huì)再一次推遲其演化的進(jìn)程。
旋渦星系M94位于獵犬座，是由角動(dòng)量輸運(yùn)過程所打造出來的。隨著它的演化，氣體會(huì)從其中心向外流動(dòng)，形成了一個(gè)環(huán)繞其星系盤的環(huán)。在它的明亮中心處有一系列的星暴活動(dòng)，而在其核心則潛藏著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。版權(quán)：ESA/HUBBLE/ NASA。
與此同時(shí)，紅巨星的包層會(huì)向外膨脹，形成行星狀星云。其中心則留下了一顆白矮星，由于無法進(jìn)一步坍縮，它會(huì)逐漸冷卻?；蛘?，如果核心的質(zhì)量太高，電子簡(jiǎn)并壓也無法抵御引力，那么它就會(huì)繼續(xù)坍縮，直到質(zhì)子和電子被迫結(jié)合成中子。此后，它會(huì)通過中子簡(jiǎn)并壓來抵抗引力。這正是中等質(zhì)量恒星死亡形成中子星的原因。
但是，如果恒星的質(zhì)量足夠大，那么其核心的質(zhì)量就會(huì)達(dá)到即使是中子簡(jiǎn)并壓也無法抵御引力的程度。目前還不確切知道比中子簡(jiǎn)并壓更強(qiáng)大的壓力。于是，該核心會(huì)繼續(xù)坍縮，因?yàn)樗臏囟确浅８?，輻射?huì)帶走可以產(chǎn)生壓強(qiáng)的熱量。引力不會(huì)留下任何的余地。沒有其他東西可以再抵擋引力了。如果核心的質(zhì)量足夠高，就必定會(huì)坍縮，它會(huì)變得極其致密，使得引力可以戰(zhàn)勝其他任何妄圖與之對(duì)抗的作用力。天文學(xué)家們還在研究這其中的細(xì)節(jié)，但可以確定的是坍縮成黑洞不需要非常特別的前提條件。只要質(zhì)量足夠大，每一顆恒星都能做到。那么質(zhì)量要多大呢？這是一個(gè)我們迄今沒有確切知曉的細(xì)節(jié)。回答是約20個(gè)太陽質(zhì)量。
因此，恒星的演化包含了一系列的核心坍縮（當(dāng)引力占據(jù)主導(dǎo)時(shí)）和包層膨脹（來應(yīng)對(duì)不斷增強(qiáng)的輻射）以及穿插于這兩者之間由中央核聚變供熱的平衡期。很自然地，只要恒星質(zhì)量足夠大，黑洞會(huì)是其不可避免的產(chǎn)物。這就是為什么在我們的銀河系中黑洞——以及其他的致密天體——無處不在的原因。
位于長(zhǎng)蛇座的棒旋星系M83形似于我們的銀河系，也是一個(gè)由角動(dòng)量向外輸運(yùn)所造就的典型星系。其中心的棒狀結(jié)構(gòu)會(huì)攪動(dòng)氣體，使得它們的角動(dòng)量重新分布，引發(fā)星暴。在它的中央也存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。版權(quán)：NASA/ESA/THEHUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/ AURA)。
旋轉(zhuǎn)盤的作用
恒星和星團(tuán)由抗衡引力的壓強(qiáng)來維系。因此，隨著熱量向外傳輸，它們也會(huì)隨之演化。與之形成對(duì)比的是，旋轉(zhuǎn)的盤通過自轉(zhuǎn)來對(duì)抗引力。因此，它們會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)的變化——被稱為角動(dòng)量輸運(yùn)——而演化。除去這一差別之外，這兩種系統(tǒng)的演化是相似的。
滑冰場(chǎng)的類比在這里依然有效。區(qū)別在于現(xiàn)在滑冰者都在以近圓的軌道上運(yùn)動(dòng)且速度大致相同。但是，它依然會(huì)發(fā)生同樣的事情——不同類型的自引力系統(tǒng)都會(huì)演化出一個(gè)越來越致密的核心和一個(gè)越來越彌散的外暈。
原行星盤演化的方式與滑冰場(chǎng)的類比最為相似。較重的物體會(huì)甩出較輕的。木星會(huì)向內(nèi)遷移，溫度也會(huì)升高；而海王星則會(huì)向外移動(dòng)，漸漸冷卻。這是由散射原行星或星子、還是通過與盤中的波相互作用所導(dǎo)致的，仍是一個(gè)需要確認(rèn)的細(xì)節(jié)。但它很好地解釋了為什么天文學(xué)家會(huì)在太陽系之外發(fā)現(xiàn)如此眾多非?？拷渌拗骱阈堑木扌行?。天文學(xué)家相信，這也發(fā)生在了我們的太陽系中：木星也曾朝向太陽遷移——幸運(yùn)的是，它只移動(dòng)了一點(diǎn)點(diǎn)。天王星和海王星則向外移動(dòng)了幾個(gè)天文單位。在這個(gè)過程中，海王星就像推土機(jī)一樣把柯伊伯帶天體也向外推。太陽系和太陽系外行星系統(tǒng)的所有這些方面都是“內(nèi)緊外松”演化方式的后果。
原恒星盤也類似于原行星盤。隨著盤中的物質(zhì)下落到原恒星上，它也會(huì)隨之生長(zhǎng)，不過磁場(chǎng)會(huì)減小這些下落氣體的速度。結(jié)果是一樣的：形成一個(gè)高密度的核心——恒星，而其他的物質(zhì)則向外轉(zhuǎn)移。
黑洞周圍的吸積盤也以同樣的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。在黑洞附近，吸積盤的轉(zhuǎn)速接近光速，因此摩擦力會(huì)把氣體加熱到極高的溫度。由此形成了會(huì)發(fā)出耀眼光芒的類星體和其他活動(dòng)星系核。在這些高溫氣體中，磁場(chǎng)和摩擦力會(huì)主宰其演化過程。一些氣體會(huì)落入黑洞，但其他的則會(huì)被拋射出去。在類星體中，這一拋射會(huì)以粒子噴流的形式從吸積盤自轉(zhuǎn)軸附近射出，就像一條由氣體構(gòu)成的火舌，可以延伸出數(shù)百萬光年。（原恒星盤也會(huì)沿著其自轉(zhuǎn)軸射出氣體噴流。）
所以，黑洞的生長(zhǎng)是一個(gè)極端但卻又十分自然的過程，與天文學(xué)中許多其他的演化過程息息相關(guān)。它完全不需要獨(dú)特而神奇的設(shè)計(jì)。就像之前所提到的那些演化過程，只要大自然的物理學(xué)規(guī)律允許，它就會(huì)沿著“內(nèi)緊外松”的道路演化下去。于是，對(duì)于一個(gè)業(yè)已形成的黑洞來說，它的質(zhì)量會(huì)變得越來越龐大。
最后，類似M83和M94這樣旋渦星系的盤也會(huì)通過向外輸運(yùn)角動(dòng)量來演化。只有在因棒狀結(jié)構(gòu)形成到使得盤失穩(wěn)時(shí)，星系才會(huì)演化。當(dāng)盤中的氣體與其相互作用時(shí)，棒狀結(jié)構(gòu)的作用就像一根攪棒，攪動(dòng)周圍的氣體，使得角動(dòng)量重新分布。這一過程造就了類似M94這樣的星系。一些氣體會(huì)向外運(yùn)動(dòng)，通常會(huì)形成一個(gè)圍繞在盤之外的環(huán)。其他的氣體則會(huì)落向中心，在那里它們會(huì)變得非常稠密，導(dǎo)致恒星的爆發(fā)式形成。這正是我們?cè)谶@些星系中所看到的。M83和M94的明亮中心就是由星暴所造成的。其結(jié)果是會(huì)在星系的中心附近形成一個(gè)致密的恒星子系統(tǒng)。
幾十年來，天文學(xué)家一直困惑于星系的這一中心結(jié)構(gòu)，被稱為核球。核球呈近似球形，包含有致密的星團(tuán)，與橢圓星系十分類似，可能是星系碰撞與并合的結(jié)果。草帽星系包含有核球，著名的星系M81和仙女座星系也有。但是，并非通過星系并合，M83和M94正在緩慢地形成一個(gè)贗球核。
贗球核對(duì)于認(rèn)識(shí)超大質(zhì)量黑洞是如何影響星系演化而言非常重要。天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，黑洞和核球能夠控制對(duì)方的生長(zhǎng)。但是，黑洞對(duì)贗球核或星系盤的生長(zhǎng)卻沒有明顯的影響。
超大質(zhì)量黑洞的起源
在早期宇宙中，第一代恒星形成于幾乎完全是由氫和氦所組成的氣體。天文學(xué)家認(rèn)為，第一代恒星中的一些其質(zhì)量會(huì)比在今天所形成的任何恒星都更大。這些恒星的死亡會(huì)形成數(shù)百個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞。這一現(xiàn)象發(fā)生在小型的原星系中，而原星系間的碰撞與并合則形成了今天所見的星系。目前最好的猜測(cè)是，許多恒星死亡留下的黑洞殘骸并合形成了質(zhì)量達(dá)數(shù)千個(gè)太陽的黑洞，它們是超大質(zhì)量黑洞的“種子”。然后，通過并合和吸積氣體，它們會(huì)進(jìn)一步生長(zhǎng)。
巨橢圓星系M87位于室女星系團(tuán)中，在其中心有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所拍攝的這幅圖像中可以看到一道由該黑洞周圍的吸積盤所發(fā)射出的高速噴流。天文學(xué)家認(rèn)為，在幾乎所有的大型星系中央都存在有質(zhì)量至少是太陽數(shù)百萬倍的超大質(zhì)量黑洞。版權(quán)：NASA/ ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)。
在認(rèn)識(shí)宇宙宏大圖像的過程中，存在著一種驚人的美麗和力量。許多不同類型的天體系統(tǒng)——從我們銀河系中近鄰恒星系統(tǒng)到早期宇宙中的黑洞——都有著本質(zhì)上相似的演化方式。通過一切可能的物理過程，引力會(huì)使得任何一種天體都演化到其所能達(dá)到的最致密的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這會(huì)形成一個(gè)致密的核心和一個(gè)彌散的外暈。當(dāng)看到不同的天體系統(tǒng)都有著相似的演化軌跡時(shí)，這也增強(qiáng)了我們對(duì)它們每一個(gè)認(rèn)識(shí)的信心。
當(dāng)這些過程在構(gòu)建越來越致密核心的道路上行進(jìn)得足夠遠(yuǎn)之時(shí)，天文學(xué)家相信，黑洞將會(huì)是這一簡(jiǎn)單物理規(guī)律下自然且不可避免的產(chǎn)物。（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜 ）
