在北斗七星的旁邊

1、在北斗七星的旁邊，大熊座的“熊頭”附近，有一個形狀不 倫不類的M82星系。直徑達(dá)1200萬光年的M82星系，有一條黑色縫 隙橫貫其中，所以它得到了一個“破裂星系”的綽號。這條黑色 縫隙實際上是一個由混雜塵埃的氣體構(gòu)成的，而M82星系本身是一 個標(biāo)準(zhǔn)的“透鏡”型星系。M82星系具有顯著的特征，其中心部位 以超過別的星系數(shù)千倍的速度誕生著新的恒星。最近在被稱為“ 星爆”的M82星系中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了奇異的天體。 釋放千倍于太陽的能量 1997年，日本京都大學(xué)的一個研究小組使用X射線觀測衛(wèi)星發(fā) 現(xiàn)M82星系內(nèi)的一個天體，從非常有限的空間發(fā)出大量X射線，這 個天體主要放射3000電子伏特的高能X射線，

2、其光度達(dá)到太陽全部 光度的千萬倍。 物質(zhì)吸入，連光都不可能逸出。而 M82星系中的黑洞卻噴釋出大量 能量，這的確是異乎尋常的。事實上，當(dāng)物質(zhì)被吸入黑洞的“地 平線”下之前，黑洞極強的引力場引起了超高速運動，由此釋放 出巨大能量。其原理與水力發(fā)電相似，在水力發(fā)電中，下落的勢 能轉(zhuǎn)化為電能。對黑洞來說，因引力下落的能量由于摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)?熱能，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋?事實上，對被稱為“ X射線雙星”的天體的觀測表明，氣體被 吸入黑洞后釋放出的是光放射。黑洞是與中子星或是巨星構(gòu)成彼 此繞轉(zhuǎn)的雙星，從巨星流出的氣體在旋轉(zhuǎn)著落入黑洞或中子星時 ，會放出大量X射線。在這種情況下黑洞具有太陽的質(zhì)量，若具有 8倍于太

3、陽的質(zhì)量，那便是超新星爆發(fā)后的殘存物。中子星是僅由 中子構(gòu)成的天體，比黑洞要大上數(shù)倍。 10倍。由 為了搞清這個天體的真實面目，科學(xué)家立即著手進(jìn)行了反復(fù) 達(dá)9次的觀測，對可信數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，這個天體在短短幾天 的時間里，其光度就發(fā)生了幾倍的變化。這個天體光度的變化情 況被美國麻省理工學(xué)院和內(nèi)華達(dá)大學(xué)的科學(xué)家于1999年同時觀測 到。它的光度變化的直接原因目前還無法確定，但是卻為科學(xué)家 了解這一奇異天體的本來面目，提供了極其珍貴的數(shù)據(jù)，因為根 據(jù)這些數(shù)據(jù)能夠算出這個天體的大小，它的直徑約為太陽與地球 距離的數(shù)十倍，也就是說，它的大小充其量相當(dāng)于太陽系。從如 此小的區(qū)域內(nèi)居然能夠釋放出相當(dāng)于太

4、陽1000萬倍的能量，從現(xiàn) 代物理學(xué)可知其唯一的可能就是黑洞。M82星系中黑洞的質(zhì)量 “黑洞”是根據(jù)廣義相對論預(yù)言存在的天體，它憑著自身的 引力把空間中的一切“禁閉”起來。黑洞的大小若用質(zhì)量相比較 的話，那么具有太陽質(zhì)量的黑洞，其半徑只有3公里。黑洞把一切 迄今為止已知的X射線雙星系統(tǒng)最亮者達(dá)到太陽光度的100萬 倍程度，M82星系發(fā)現(xiàn)的X射線天體在此基礎(chǔ)上又增高了 此估計這個黑洞的質(zhì)量約為太陽的460倍到最大為1億倍?？傊?這個黑洞的質(zhì)量很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了太陽。這說明，在M82星系發(fā)現(xiàn) 的是待確認(rèn)的黑洞，而不單純是超新星爆發(fā)后殘存物。 M82星系發(fā)現(xiàn)的待確認(rèn)黑洞在研究宇宙中存在的巨大黑洞起源

5、 的時候，具有極重大的意義。決定性的證據(jù) 近幾年，有觀測報告說在銀河系中心似乎存在巨大黑洞，所 謂“巨大黑洞”是指質(zhì)量超過太陽100萬倍以上的黑洞。如果存在 巨大黑洞，那么在它周圍的物質(zhì)亦應(yīng)當(dāng)像繞太陽旋轉(zhuǎn)的行星那樣 ，遵循“開普勒行星運動三定律”，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡就在NGC426 1、室女座M84星系、室女座 M87星系等星系中心發(fā)現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)的 氣體。 根據(jù)開普勒定律，氣體的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)與其圍繞天體的質(zhì)量的 平方根成正比，與旋轉(zhuǎn)半徑的平方根成反比。如果能夠確定旋轉(zhuǎn) 速度和半徑，就能求出那個天體的質(zhì)量，NGC426旋轉(zhuǎn)半徑為300 光年以內(nèi)，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的 20億倍；M84星系旋轉(zhuǎn)半徑為30光

6、 年以內(nèi)，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的 3億倍；M87星系旋轉(zhuǎn)半徑為15光年 以內(nèi)，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的 30億倍。計算結(jié)果應(yīng)當(dāng)說是令人吃驚 的！ 10億倍太陽質(zhì)量的黑洞的半徑大約為10天文單位，也就是1光 年的一萬分之一。所以，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果與黑洞的半 徑相比較，還沒有把握住黑洞的外側(cè)。 的能量的天體，這就是“類星體”。這是一種距離我們極其遙遠(yuǎn) 的天體，距離近者離地球也有 20億光年之遙。從1962年第一個類 星體被發(fā)現(xiàn)以來，這種天體的真實面目仍是待揭之謎。圍繞類星 體巨大能量的來源，科學(xué)家提出了形形色色的理論和假說，而最 終具有生命力的是巨大黑洞之說。 斗轉(zhuǎn)星移，1997年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡首

7、次觀測證實，類星體 處于星系的中心部位，是星系的核心。在那里極有可能存在巨大 黑洞。但是此說難圓，迄今發(fā)現(xiàn)的類星體大約只有星系數(shù)目的百 分之一，僅僅以此為依據(jù)還不能認(rèn)為任何星系都存在巨大黑洞。 1995年，有關(guān)科學(xué)家與美國史密森尼安天文臺合作，使用超 長基線電波干涉儀群觀測獵犬座 NGC4258i系的中心區(qū)域，發(fā)現(xiàn)在 NGC42581系中心僅0. 3光年的區(qū)域內(nèi)，就存在相當(dāng)太陽質(zhì)量360 0萬倍的質(zhì)量，而且獲得了迄今為止最精確的旋轉(zhuǎn)速度。由此，星 系中心存在巨大黑洞的可能幾乎轉(zhuǎn)瞬間便具有了可能性。同年， 科學(xué)家們進(jìn)行了對確認(rèn)巨大黑洞具有決定意義的觀測，證據(jù)是通 過日本的X射線天文衛(wèi)星觀測得到的

8、，觀測對象是名為“MC6 30-15”的一個活躍星系。觀測結(jié)果表明，來自這個星系中心的 X射線發(fā)生了 “引力紅移”，這是非黑洞無法解釋的。 隨著周密觀測的進(jìn)行，科學(xué)家們始知以往了解的“塞弗特星 系”與類星體在光譜方面有種種類似?！叭ヌ匦窍怠钡哪芰恳?guī) 模比類星體要小得多?！叭ヌ匦窍怠庇蠭型與n型之分，與類 星體光譜相似的為I型。對“塞弗特星系”來說，除去其中心區(qū) 域的特殊類型，一般是漩渦星系和棒旋星系，比類星體的數(shù)目多 得多，達(dá)10倍以上。類星體和“塞弗特星系”總稱為“活動星系 核”，科學(xué)家又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了 “活動星系核”的“兄弟” “射電星系”和“活動星系”。最近，科學(xué)家在超過半數(shù)的星系 中

9、發(fā)現(xiàn)了衡量星系核心活動程度的“低電離狀態(tài)發(fā)光區(qū)域”。 所謂“引力紅移”是在強引力作用下，時間似乎變慢的可用 廣義相對論解釋的現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中光波長變長。這個現(xiàn)象被 確認(rèn)其意義就相當(dāng)于直接觀測到黑洞?？茖W(xué)家從此得到了巨大黑 洞存在的強有力的證據(jù)。任何星系都存在巨大黑洞 如果巨大黑洞只是存在于特定的星系的話，那么巨大黑洞可 能就是這種特定星系特殊演化的結(jié)果。但是最近的觀測資料開始 表明大部分星系的中心都存在巨大黑洞。在宇宙中存在著在一種 在相當(dāng)于星系大小一萬分之一以下區(qū)域，卻釋放出100個星系具有 科學(xué)家認(rèn)為，能夠?qū)⒒顒有窍岛擞镁薮蠛诙春托D(zhuǎn)著被吸入 黑洞氣體盤旋建立一個模型。根據(jù)這個模型，星系

10、核活動性的差 別由黑洞的大小和單位時間被吸入黑洞的氣體量決定。為了說明 多種星系核的活動性，巨大黑洞的質(zhì)量必須達(dá)到太陽質(zhì)量的1000 萬倍到10億倍的程度。質(zhì)量居中的新類型黑洞 如果我們認(rèn)定幾乎所有的星系中心都無一例外地存在巨大黑 洞的話，那么這種現(xiàn)象是如何形成的呢，對于這個問題科學(xué)家們 M8 還沒有掌握明確的答案，獲得答案的關(guān)鍵也許就在尚待確認(rèn)的 2星系中的黑洞。 成一切都被吞并其中的中間質(zhì)量黑洞，需要比宇宙年齡更長的時 間，所以球狀星團(tuán)今天依然固我。 通過光度變化發(fā)現(xiàn)的 M82星系的待確認(rèn)黑洞的最大質(zhì)量大約是 太陽質(zhì)量的上億倍。但是這其中存在一個令人不解的事實一一M8 2星系的待確認(rèn)黑洞不

11、在星系的旋轉(zhuǎn)中心，而在距旋轉(zhuǎn)中心400光 年之遙的位置。如果它具有太陽1億倍的質(zhì)量，那么這個黑洞的引 力將占支配地位，它周圍的一切都應(yīng)當(dāng)以黑洞為中心旋轉(zhuǎn)，不能 想象這個黑洞在圍繞別的什么旋轉(zhuǎn)。由此可知，這個黑洞并沒有 那么巨大，它很可能是質(zhì)量居中的新類型，是質(zhì)量為太陽100倍到 100萬倍的中間質(zhì)量黑洞。 科學(xué)家對M82星系進(jìn)行了空前精確的觀測，1999年，美國航空 航天局的科學(xué)家發(fā)表了新的觀測報告，他們獲得的證據(jù)表明，一 個質(zhì)量為太陽100倍到1萬倍的黑洞在距星系中心約1000光年的位 置旋轉(zhuǎn)。他們在對39個星系觀測中發(fā)現(xiàn)其中21個星系中有這種中 間質(zhì)量的黑洞。如果事實果真如此，那么它將成為

12、解開星系中心 巨大黑洞之謎的重要線索。巨大黑洞如何形成尚無定論 正如前面談到的，科學(xué)家認(rèn)為質(zhì)量相當(dāng)于太陽的黑洞是超新 星爆發(fā)的結(jié)果，但是對于巨大黑洞的起源，目前還沒有定論。巨 大黑洞是怎樣形成的呢？ 達(dá)到太陽質(zhì)量100萬倍的天體，其半徑會凝縮至 0. 01光年以 下，成為一千萬分之一光年大小的中間質(zhì)量黑洞。在質(zhì)量為太陽 100萬倍的天體中有“球狀星團(tuán)”。球狀星團(tuán)在宇宙中存在的天體 中密度之大異乎尋常，但是球狀星團(tuán)大小達(dá)數(shù)十光年，無論如何 不能成為黑洞。在球狀星團(tuán)中作為超新星爆發(fā)的殘存物存在質(zhì)量 相當(dāng)于太陽的黑洞。但是如此小的黑洞逐漸構(gòu)成了雙星，要演化 在“星爆”里正以迅猛的速度生成著新的恒星，

13、同時超新星 爆發(fā)也呈猛烈之勢，結(jié)果質(zhì)量相當(dāng)太陽的黑洞理當(dāng)比一般星系存 在得更多。那么這些黑洞吸聚周圍氣體逐步變大成為中間質(zhì)量黑 洞，難道不存在中間質(zhì)量黑洞彼此聚合成為巨大黑洞的可能嗎？ 不過計算可知，即使用宇宙年齡同樣時間來集聚氣體，質(zhì)量也不 過只能增加百分之幾。黑洞合而為一的概率在球狀星團(tuán)的情況下 要低得多。解決疑問的關(guān)鍵何在 那么，巨大黑洞不會由小黑洞聚合而成，就沒有突然形成中 間質(zhì)量黑洞的途徑了嗎？要存在這種可能關(guān)鍵之處在于是否能把 具有太陽質(zhì)量100萬倍的天體凝縮至0. 01光年以下的空間。作為 一種可能性，美國哈佛大學(xué)的科學(xué)家提出了一種新的設(shè)想：在宇 宙誕生之初由大質(zhì)量的天體產(chǎn)生了中

14、間質(zhì)量的黑洞。科學(xué)家們把 這個過程用計算機進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示，在宇宙誕生30萬年時 ，大質(zhì)量天體中發(fā)生了電離，大小凝縮至0. 01光年以下。此時， 宇宙中清澈無比，光能夠通行無阻。由此產(chǎn)生的黑洞質(zhì)量約為太 陽的10萬倍到100萬倍，基本上是在與星系無關(guān)的空間形成的。 如此大小的黑洞與星系遭遇，在力學(xué)的摩擦效果作用下，黑 洞便落入星系的中心。如果落入星系中心的黑洞一年間會附著一 個太陽質(zhì)量的物質(zhì)的話，1億年后就會擁有1億倍以上太陽質(zhì)量， 從而成為巨大黑洞。以類星體的能量來說，如此規(guī)模的質(zhì)量附著 是必不可少的。但是這種模型也不能完全自圓其說?？紤]到一般 的宇宙模型，以這種機理形成的黑洞的數(shù)目比星

15、系的數(shù)目要少得 多。因此在理論上，形成巨大黑洞的確切過程應(yīng)當(dāng)說仍未明了， 所以具有中間質(zhì)量、圍繞星系中心旋轉(zhuǎn)的M82星系黑洞，是非常耐 人尋味的。關(guān)鍵問題在于求出 M82星系黑洞的準(zhǔn)確質(zhì)量，并搞清其 形成的過程。這些問題的解決對于揭開巨大黑洞之謎，具有決定 性的意義。巨大黑洞仍是待揭之謎 根據(jù)近年的觀測，人類所在的銀河系的中央具有棒狀構(gòu)造, 所以銀河系也可能是一個棒旋星系。 巨大黑洞的起源之謎直到今天仍包裹在重重迷霧之中，說不 清道不明。黑洞是如何越變越大的，巨大黑洞又與星系的誕生和 演化具有怎樣的關(guān)系，需要解釋的疑問還多得很。1995年，美國 夏威夷大學(xué)和密執(zhí)安大學(xué)的幾位科學(xué)家，在研究了巨大

16、黑洞起源 的問題后，發(fā)表了非常有趣的分析結(jié)果。 兩漢：諸葛亮 出師表 先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋 也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報之 他們將巨大黑洞的觀測結(jié)果針對某一天體，把黑洞的質(zhì)量與 星系“鼓包”進(jìn)行了比較。所謂星系“鼓包”指的是處于星系中 心呈球狀分布的古老恒星的集團(tuán)。結(jié)果表明，這個比例大約是10 00： 1,就算黑洞的質(zhì)量有變化，但這個比例都沒有明顯變化。星 系“鼓包”在構(gòu)造上與星系盤有所不同，橢圓星系幾乎都是由“ 鼓包”構(gòu)成的。 于陛下也。誠宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄, 引喻失義，以塞忠諫之

17、路也。 宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者, 宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。 若美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的關(guān)系具有普遍意義，黑洞的形成便很可 能與星系“鼓包”的形成有密切關(guān)系。星系“鼓包”是由星系形 成初期的“星爆”形成的 侍中、侍郎郭攸之、費祎、董允等，此皆良實，志慮忠純，是以先帝簡 拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補 闕漏，有所廣益。 這一假說現(xiàn)在比較有說服力。巨大黑洞也與“星爆”有關(guān)嗎 ?新類型的黑洞是在 M82星系被發(fā)現(xiàn)的，而它也是“星爆”。 將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰 能”是以 眾議舉寵為督：愚以為營中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。 “星爆”、星系形成、星系“鼓包”、活動星系核，以及中 間質(zhì)量黑洞和巨大黑洞，在這一系列組合之后，最終能夠描繪出 的到底是什么呢？ 親賢臣，遠(yuǎn)小人，此先漢所以興隆也；親小人，遠(yuǎn)賢臣，此后漢所以傾 頹也。先帝在時，每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、靈也。侍中、尚書、 在星系中，仍然隱藏著許多的謎團(tuán)。 長史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計日 而待也。 臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以 臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激