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诺贝尔物理学奖揭晓授予黑洞研究!霍金或与诺奖擦肩而过

[摘要]三位物理学家因研究黑洞相关的工作获奖。最近四年诺贝尔物理奖,已有三次办法给天体物理相关的领域。

诺贝尔物理学奖揭晓授予黑洞研究!霍金或与诺奖擦肩而过

刚刚,2020年诺贝尔物理学奖揭晓。英国理论物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)与德国天文学家赖因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)、美国天文学家安德莉亚·盖兹(Andrea Ghez)分享了今年的奖项。其中,彭罗斯因为发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测而被授予诺贝尔物理学奖;根策尔与盖兹的获奖理由是他们在人马座A*区域发现了一个银河系中央的超大质量黑洞。值得一提的是,斯蒂芬·霍金与彭罗斯合作完成了奇点理论等工作,但霍金于2018年去世,因而可能遗憾错过了诺贝尔奖。

诺贝尔物理学奖揭晓授予黑洞研究!霍金或与诺奖擦肩而过

罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)是英国理论物理学家,1931年出生。他在1965年提出了用以显示恒星如何坍塌形成黑洞的数学方法。他与史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)合作,证明了如果爱因斯坦的广义相对论正确,那么将有一个奇点,一个无限密度和时空曲率的点,其中时间在会有一个起始点。彭罗斯(Penrose)曾与史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)因奇点理论的工作共同获得了沃尔夫物理学奖。

彭罗斯(Penrose)在扭转空间理论方面有着杰出的贡献,该理论致力于解决时空几何问题。现在他是牛津大学数学系的名誉教授,并且著有几本有关空间,时间和现实本质的书籍。

诺贝尔物理学奖揭晓授予黑洞研究!霍金或与诺奖擦肩而过

赖因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)于1952年出生于德国,现工作于美国加利福尼亚州的马克斯·普朗克地外物理学研究所。

诺贝尔物理学奖揭晓授予黑洞研究!霍金或与诺奖擦肩而过

安德莉亚·盖兹(Andrea Ghez)于1965年出生于美国,现工作于美国加利福尼亚大学。她也成为继玛丽·居里(1903年)、玛丽亚·格佩特-梅耶(1963年)和唐娜·斯特里克兰(2018年)之后,第四位荣获诺贝尔物理学奖的女性。

1972年,彭罗斯为《科学美国人》撰写文章:《黑洞必然存在》,本文收录于《环球科学》黑洞专刊。在这篇半世纪之前的文章中,彭罗斯明确提出:对于某些天体来说,黑洞是它们命中注定的归宿。

撰文?罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)

翻译?钱磊

在大约五十亿年内,太阳会通过热核反应消耗掉过多的氢元素,演化为一种叫做红巨星的恒星。恒星理论预言,太阳的直径将增大到现在(1 392 000千米)的250倍,并在此过程中吞没水星和金星,甚至还有可能吞没地球。到那时,太阳的物质密度只有空气的十分之一。(现在太阳的平均密度是地球密度的五分之一。)

随着太阳消耗掉越来越多可用的核燃料(除了氢,还有氦和更重的元素),太阳的膨胀过程将反转,收缩到比当前还小,直径变为现在的百分之一,大约相当于地球的大小。之后,它将演化为白矮星,停止收缩。在这一阶段,原子中的电子会聚集得非常紧密,致使量子力学中的一个规律开始发挥作用,产生一种强到足以阻止太阳进一步收缩的等效压强。这个规律就是泡利不相容原理,该原理指出,没有两个电子可以占据同一个能量状态。此时,太阳的密度将变得非常大,一个填满太阳物质的乒乓球的质量就相当于好几头大象。接下来,太阳将一直冷却下去,直至抵达最终的死亡状态,成为一颗黑矮星。

地球上任何物质的密度都远远小于白矮星。不过,天文学家在宇宙中观测到了很多白矮星(和红巨星)。它们是太阳这类最普通的恒星演化历史的一部分。此外,恒星演化为白矮星的理论和观测结果非常一致。然而,并非所有恒星都遵循这个“正常的”演化路径。1931年,苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)在研究恒星结构时发现,白矮星存在一个最大质量。超过这个质量,白矮星就无法抵抗进一步的引力收缩。指向恒星中心的引力甚至会压倒电子由于泡利不相容原理而产生的压力。这个最大质量极限不比太阳质量大多少。钱德拉塞卡最初得到的极限大约是1.4倍太阳质量,后来的计算给出了更小的值。而我们观测到的许多恒星质量都要大于1.5倍太阳质量,它们的最终命运会是怎样的呢?

假设有一颗质量是太阳两倍的恒星。和太阳类似,在消耗了大部分原有的氢燃料之后,它将膨胀得非常大,然后再次收缩。但它不会进入稳定的平衡态而成为一颗白矮星。这颗恒星,或者它的很大一部分将会坍缩得比白矮星更小。由于极端的温度和密度,它将经历一个导致其发生灾变性爆发的过程。天文学家已经在我们的星系(最近的一颗由开普勒在1604年记载)和其他星系中观测到了这类爆发恒星,并将其命名为超新星。一颗超新星的光度可以在数天内胜过整个星系。超新星爆发时可能抛掉了多达90%的物质,仅剩下恒星坍缩了的核心,藏在一团快速膨胀的气体云中心。(蟹状星云就是这样的气体云。)这个核太小,密度也太大了,不可能是白矮星,只能以一颗中子星的身份达到平衡状态。

即使与白矮星比,中子星也是很微小的。白矮星对中子星,大小相差的悬殊程度甚至超过了太阳对白矮星的100:1,可能也超过了红巨星对太阳的大约250:1。中子星半径可能只有10千米,或者说只有白矮星半径的1/700。虽然白矮星的密度已经大得异乎寻常了,但中子星的密度甚至比它还要大1亿倍。一个填满中子星物质的乒乓球,质量相当于婚神星(Juno,直径约200千米)这样的小行星。中子星的密度与质子或中子相当;实际上,一颗中子星可以看作一个超大的原子核,两者只有一个本质上的差异:中子星是由引力而非核力束缚在一起的。中子星的大部分电子已经被压入质子,导致质子变成了中子。现在,作用于中子的泡利不相容原理提供了阻止中子星进一步收缩的等效压力。

这套中子星理论是J·罗伯特·奥本海默(J. Robert Oppenheimer)、罗伯特·瑟伯(Robert Serber)和C·M·沃尔科夫(C. M. Volkoff)在1938年和1939年建立的。之后的很多年,天文学家都质疑中子星是否真实存在。不过,自1967年起,观测方面的状况发生了巨大变化。在那一年,天文学家发现了第一颗脉冲星。自那以后,脉冲星理论发展迅速。现在我们几乎可以肯定,脉冲星发出的射电和光学脉冲,其能量和极端的规律性都源于旋转的中子星。至少有两颗脉冲星位于超新星遗迹中,其中一个遗迹就是蟹状星云,这进一步支持了脉冲星实际上就是中子星的理论。

和白矮星的情形类似,中子星也有一个最大质量,在此之上它将无法阻止进一步的引力收缩。科学家对这个最大质量极限的确切数值还不是十分肯定。奥本海默和沃尔科夫在1939年最初给出的值大约为0.7倍太阳质量。后来的研究者给出的质量极限要更大一些,最高的达到了3倍太阳质量。那些较高的极限值考虑到,除了通常的中子和质子,还可能存在名为超子的大质量亚原子粒子。无论如何,正确的极限都不会超过数倍太阳质量。但是,宇宙中存在超过50倍太阳质量的恒星。它们的最终命运是什么?恒星会在最终塌缩或更早的某些阶段不可避免地抛出大量物质,使其质量总是小于稳定的白矮星或中子星所要求的极限吗?几乎完全不可能。那有没有可能存在什么其他形式的凝聚态物质,其密度甚至超过中子星内部所能达到的最大值?

光都无法逃离的引力陷阱

理论告诉我们,尽管物质可以达到更高的密度,但获得更高密度的稳定平衡态是不可能的。引力效应会变得无法抗拒,从而支配一切。牛顿引力理论不足以处理这种问题,我们必须使用爱因斯坦的广义相对论。根据广义相对论,我们得到了一种非常奇异的天体,相比之下中子星看起来还算正常。这个最初由奥本海默和沃尔科夫提出的新天体获得了“黑洞”的称号。

黑洞是一颗恒星(或一团恒星或其他天体)坍缩形成的空间区域,光、物质或任何形式的信号都无法从这里逃离。中子星还要收缩多少才能变成一个黑洞?以质量与太阳相当的天体为例,我们已经知道太阳的直径比中子星直径大7万倍,红巨星直径比中子星直径大2000万倍。鉴于这些尺度上的巨大差异,中子星只收缩到自身直径的大约三分之一就会变成黑洞,这可能会令人吃惊。更大的黑洞也是可能存在的,但它们是最终总质量大于太阳的恒星或天体的塌缩产物,黑洞的直径与质量成正比。

广义相对论在中子星理论中扮演了重要角色,实际上,它适用于任何场合,除非达到了黑洞那样的极端条件。物理学理论能很好地描述大小和密度相差悬殊的各色恒星。从这个角度看,似乎没什么理由怀疑物理理论可以稍微外推一些覆盖到黑洞。但这个观点并不是很合理。用来描述黑洞的那部分物理理论,即广义相对论在观测天文学中并不能说是不可替代的,我们必须严肃考虑广义相对论存在错误的可能性。针对广义相对论的观测和实验检验,成功的还不太多。尽管理论和观测之间没有矛盾,但这些观测仍然没有确定地证实广义相对论。其他引力理论仍有存在的空间。

然而必须指出,广义相对论是一个出色的理论;几乎可以肯定,它是现有最令人满意的引力理论。此外,广义相对论最有力的竞争对手,布兰斯-迪克-若当标量-张量理论(Br-ans-Dicke- Jordan scalar-tensor theory)得到的黑洞图景和爱因斯坦理论的结果是相同的。即便是在牛顿理论中也能出现和黑洞类似的情形。早在1798年,皮埃尔·西蒙 ·德 · 拉普拉斯 (Pierre Simon de Laplace)根据牛顿力学预言,质量足够大、足够致密的天体应该是不可见的,因为其表面的逃逸速度将超过光速。所以,从这种天体表面发出的一个光子,或者说光的粒子将会落回表面,因而无法逃逸并被远处的观察者观测到。这个描述可能是值得商榷的,但它表明,即使在牛顿理论中,也需要面对这样的情况。不过,综合考虑,我打算将对黑洞的讨论完全限制在广义相对论范围内。

首先,考虑一下当前黑洞的标准图景。黑洞可以用一个半径正比于黑洞质量的球面来表示。这个面称为“绝对事件视界”,它的关键性质为,内部发出的信号不能逃逸,而从其外任何一点发出的信号都可能逃逸。球面的大小,即事件视界的半径等于两倍质量乘以引力常数再除以光速的平方(2mG/c2)。代入太阳质量进行计算可以得出,太阳要塌缩为直径约为6千米的球才能成为黑洞,绝对事件视界就是这个6千米的球的表面。

产生黑洞的那个天体已经落入事件视界深处。事件视界内的引力场变得非常强,光无论向哪个方向发射,都会在引力拉扯下落向内部。在事件视界之外,光如果发射方向合适,还是可以逃出来的。发射点越接近事件视界,发出的信号的波前就越多地偏向黑洞中心。我们可以直观地把这个偏移想象成引力影响了光的运动。相比于向外的方向,光看起来更容易沿着朝向黑洞引力中心的方向运动。在事件视界内,向内的引力变得太强,向外运动变得完全不可能。而在事件视界上,光可以“原地踏步”,永久徘徊在与黑洞中心的距离保持不变的地方。

这样的行为不仅适用于光,也适用于任何信号或物体。在事件视界内,光速仍然是极限速度。狭义相对论仍然局域地成立,尽管在这个图景中并非显而易见。描述狭义相对论所用的局域参考系自身正快速地落向引力中心。

对黑洞的时空描述,要比上面给出的纯空间描述更令人满意。时空描述减少了一个空间坐标,代之以一个时间坐标。它给出了全部时间内发生的事件的即时图像,这样不需要用很多连续的“快照”来描述不断变化的情况。

假设普通时空中某一点发出了闪光,光会向周围所有方向传播。闪光的波前是球心位于发射点的球面,按照光速随时间推移不断变大。对这个闪光的纯空间描述将是一系列球,每个球比前一个大,标记了某个给定时刻闪光的球面波前。而对闪光的时空描述是一个圆锥,其顶点代表闪光发出的时间和位置,圆锥本身描述了闪光的历史。

按照同样的方法,一颗恒星塌缩为黑洞的历史可以用时空表示的方法来更好地描述。在时空中的不同点上,光锥的位置显示了光信号是如何在引力场中传播的。在某些点上,光锥是倾斜的,但对于这个点上的观察者而言,是无法察觉到异常的。观察者会沿着一条路径,在光锥内部行进;他的速度永远不会超过光速——只有在光锥内部才能满足这个条件。截取时空图的一个水平剖面,我们就能得到相应物体行为的纯空间描述。

撕碎一切的潮汐力

通过塌缩,产生黑洞的天体命运如何呢?假设它一直保持着精确的球对称性,那么广义相对论给出的答案是戏剧性的。根据广义相对论,在靠近中心时,时空曲率会无限增大。在黑洞中心,不仅组成天体的物质会被压缩到无穷大的密度——可以说被压碎至不复存在,天体外的时空也会变得无限弯曲。如果有个倒霉的观察者愚蠢地进入这个时空区域,那么无限大的时空曲率对他产生的效应会是灾难性的。作用在他身上的潮汐力会快速增长,并在有限时间内(在他自己看来是这样)达到无穷大。

引力潮汐效应是时空曲率最直接的物理表现。爱因斯坦指出,在任意一点,一个物体承受的引力都可以通过选择一个自由下落的参考系消除。他给出了一个著名的例子,一台电梯缆绳断裂落向地面。电梯里面的乘客会以与电梯相同的速率下落,他们感受不到引力作用,处于失重状态漂浮在电梯中。现在,这种通过自由下落消除引力在贝斯通中是很常见的现象。然而,潮汐效应无法这样消除,因而它总会真实体现引力场的作用。想象一个观察者在地球引力场中自由下落,他被分布在一个球面上的粒子包围着,这些粒子起初相对于他是静止的。根据牛顿定律,地球的引力场与地球和其他物体之间的距离的平方成反比,物体距离地球越近,承受的引力就越强。地球引力场的非均匀性会通过潮汐作用将粒子球变成椭圆球体。地球海洋的潮汐现象就是这种效应的一个例子;在这个例子中,地球承受了月球的潮汐力。

太阳系中的潮汐效应都比较弱,最明显的效应就发生在地球表面,主要源于地球的引力场。这些潮汐效应在实验室尺度根本察觉不到。换句话说,地球表面的四维时空曲率在实验室尺度不显著。时空曲率的大小可以用曲率半径描述。时空曲率越小,相应的曲率半径越大,就像三维空间中,球表面弯曲程度越小,半径就越大一样。地球表面的时空曲率半径大约和地球到太阳的距离相当(这纯粹是巧合,太阳和地球表面的潮汐效应无关)。所以地球没有使时空弯曲很多。太阳表面的潮汐效应更小,因为太阳平均密度更低。实际上,太阳表面的时空曲率半径大约是地球到太阳距离的两倍,所以太阳表面的时空弯曲程度比地球表面小。

在白矮星表面,时空曲率要大得多:曲率半径和太阳半径的量级相同,大约80 000千米。白矮星附近的潮汐效应对于围绕它运动的宇航员来说将是非常明显的。宇航员的头和脚将感到有方向相反的两股力在拉扯,强度大约是他在地球上承受到的总引力的五分之一。而在中子星的表面,潮汐效应是非常巨大的。这里的时空曲率半径只有约50千米。显然,没有宇航员能在围绕中子星的低轨道上存活;即便他将身体蜷曲成一个球,其身体各部分承受的引力仍然相差甚远,大小差异可以达到地球表面重力的数百万倍。

理论上,可以建造出能够承受这样的潮汐力的设备。它们应该非常小巧,以保证潮汐力也比较小,因为物体承受的潮汐力与设备大小成正比。现在,想象有这样一个设备落入一个质量等于太阳的黑洞。它在穿过事件视界时承受的潮汐力是中子星表面的30倍。不过,这个设备有可能保持完好,因为施加于各个零件的力可能仍然较小。在接近黑洞中心时,潮汐力会快速增大,撕碎组成这个设备的物质、组成物质的分子、组成分子的原子、原子中的原子核,甚至组成原子核的基本粒子最终都会被撕碎。另外,整个过程不超过数毫秒。这是一个时间反转的小尺度宇宙创生模型。宇宙学模型的 “大爆炸”源于时空曲率为无穷大的奇点。黑洞内部也会产生这样一个奇点,但在时间上是反过来的。

黑洞中的奇点

这个图景是否描述了自然中真实发生的现象呢?即使不考虑广义相对论是否正确,科学家也还有很多其他疑虑。首先,我们是否充分了解黑洞形成时那种极端高压下物质的性质,从而让这些预言令人信服?如果没有精确球对称性的假设,这些讨论是否依然成立?我们的黑洞理论是否与天文观测一致?接下来,让我们依次考虑这些问题。

黑洞诞生所涉及的极高密度(某种程度上高于核物质密度)物质状态的问题远不像初看起来那么严重。纵然人们认为当前的物理学对这种密度的认识是不足的(情况可能并非如此),但这也仅仅影响质量最小的那些天体的塌缩过程。任何天体的密度都正比于其质量除以半径的立方;而黑洞半径又和质量成正比。这两个事实意味着,黑洞的密度与质量的平方成反比。

天文学家认为,星系中心的天体可能是质量相当于1万到1亿个太阳的黑洞。1亿倍太阳质量的物质塌缩达到形成黑洞的条件时,平均密度大约等于水的密度。事件视界上的潮汐效应同样与黑洞质量的平方成反比。因此在某种程度上,1亿倍太阳质量的黑洞的潮汐效应甚至小于地球表面的潮汐效应。一个宇航员可以穿过这个黑洞的事件视界而不受潮汐力影响。在他穿过事件视界时,他可能不会注意到有任何特别之处。(无论如何,视界的精确位置都不能通过局域测量得到。)在潮汐效应达到无穷大之前,这个宇航员还剩下几分钟可以享受黑洞中的生活。对于100亿倍太阳质量的黑洞,他还有大约一天的时间。至于黑洞内部的巨大潮汐效应和密度,则涉及到了广义相对论的某些特定推论。后面我还会谈到这个问题。

有关球对称性假设的问题则更为严重。如果我们不采用球对称假设,那么就得不出那个严格解,而之前的讨论都是建立在这个解的基础上。此外,即使我们假设最初的天体只稍微偏离球对称一点,那么当它坍缩到中心点附近时,这种不对称性也很有可能被大幅度放大。那样的话,塌缩天体的不同部分在落向中心时会不会碰不到一起?或许它们会在擦肩而过后继续运动,越过中心飞向外面。即使它们没出现这类情况,我们又该怎样推断坍缩形成的引力场的最终形态?幸运的是,科学家在过去数年中证明了几个一般性定理,根据这些定理他们已经构建了不对称坍缩的完整理论。

让我们考虑一下这个过程的细节。假设质量分布略微偏离球对称的一颗大质量恒星或一群天体开始坍缩,那么根据我们的理论,如果该天体满足某个判据,它就越过了无法返回点,会成为一个黑洞。这个判据可以用很多方法表述,但下面这个是最简单的。想象时空中有一点发出了闪光,如果用时空表示方法来描述这个事件,那么闪光就是源于这一点的光锥。光线从这点发出后,向四面八方散开,当它们经过物质或引力场时,会被后者聚拢。如果光线遭遇了质量足够大的物质或足够强的引力场,其发散程度会极大地缩小。实际上,光线会反过来开始汇聚。天体会成为黑洞所需的判据就是,天体内的时空点发出的每条光线都遇到足够多的物质和足够强的引力场,使得光锥重新汇聚。通过简单的量级估算不难得出,对于足够多的物质,这个判据其实在密度或曲率达到非常大之前就能得到满足,且无需任何对称性。

对于满足这个判据的天体,我们还可以得出许多推论。首先,根据斯蒂芬·霍金和本文作者由广义相对论推导出的一个精确定理,这种情况下必然存在一个时空奇点。奇点指的是一个物理理论完全失效的时空区域。这里说的奇点,是一个物质和光子被无限强的引力潮汐力扭曲和压缩,直至完全消失的区域。物理学家不喜欢会出现真正奇点的理论。过去,如果一个理论里出现了奇点,通常表明当前形式的理论失效了,需要新的理论工具。在处理黑洞问题时,我们再次遭遇了这种情况,但比之前更为严重,黑洞里的奇点涉及到了空间和时间的结构。

天体坍缩到了这个阶段,有两种完全不同的可能结果。产生的奇点有可能允许信息从它逃离,从而被远处的观察者观测到。这是两种可能结果中更让人担忧的一个,猜测的成分也更大一些。这样的奇点被称为裸奇点。裸奇点让人担忧,是因为接近无限大的时空曲率产生的物理效应在很大程度上未知的。如果这些效应可以影响外部世界,那么就会为物理理论带来一种本质上的不确定性。

另一方面,引力塌缩产生的奇点可能总是隐藏的,如果是球对称坍缩的话就是这样。在这种情况下,就不会导致不确定性。有的研究者提出一个假设,认为引力坍缩只可能导致这个不太让人担忧的结果,这就是所谓的“宇宙监督”假设。这个假设简单地禁止裸奇点存在。或有少量理论证据支持这个假设,但目前还没有确定的结论。我个人倾向于在初始条件偏离球对称不多的情况下相信这个假设。在更极端的情况下,就很难讲了。我们甚至可能找到对这个假设不利的观测证据。

如果我们认为这个假设正确,那么就又可以得出一些推论。一旦满足光锥汇聚判据,“宇宙监督”假设表明,坍缩的天体将会出现一个绝对事件视界。这个视界将具有定义明确的截面积,不会随时间增长而减小。于是黑洞倾向于增大而不会缩小。另外一个合理假设是,如果黑洞不受扰动,那么它将达到稳态。你或许认为,由于可以塌缩为黑洞的天体千奇百怪,黑洞的这种稳态可能会非常复杂。但沃纳·伊萨艾尔(Werner Israel)、布兰登·卡特(Brandon Carter)和霍金的研究已经证明情况并非如此,最终出现的稳态黑洞仅有非常有限的几个类型。它们仅用质量、自旋和电荷就可以完整描述。罗伊·P·克尔(Roy P. Kerr)和艾兹拉·纽曼(Ezra Newman)已经解出了描述这些黑洞的广义相对论方程。塌缩天体的不对称性没有出现在黑洞上的原因是,一旦黑洞形成,产生它的天体对其随后的行为几乎没有影响。黑洞可以看作受广义相对论动力学规律支配的自持引力场。这些动力学规律允许引力场通过辐射引力波来消除不对称性。

我们已经看到,物体一但被黑洞吞噬就无法逃脱。但另一方面,也存在一些可以提取黑洞部分能量的机制。其中一个是让两个黑洞并合。合并过程可能伴随大量的引力波辐射,其总能量可以占到原来两个黑洞静质量(能量)的很大一部分。另外一个机制则是让一个粒子落入旋转黑洞视界附近的区域。这个粒子分裂为两个粒子,一个落入黑洞,另一个携带着比初始粒子更多的能量逃离黑洞,飞往无穷远处。黑洞的旋转能量就以这种方式转移给了黑洞外面的粒子。

现在,让我们考虑黑洞内部的情形以及时空奇点的存在。因为“奇点”是物理理论失效的区域,有趣的是,广义相对论预言了自己的失效。或许我们不用太惊奇,因为我们仅将广义相对论作为一个经典理论处理。可以预期当时空曲率变得足够巨大时,量子效应必然会占主导地位。当时空曲率半径小到10^-13厘米(大约是一个基本粒子的半径)时,现有的粒子物理理论必然会失效。如果时空曲率半径小到10^-33厘米,那么对时空结构本身,我们也必须考虑量子效应。目前,还没有令人满意的理论能把量子力学应用到时空上。

在宇宙中寻找黑洞

最后的问题是:黑洞的观测现状是怎样的?过去几年,不同的研究者有很多互相矛盾的发现,但现在看来,他们仍无法给出明确的结论。研究者讨论的主要是有一个成员疑似黑洞的双星系统,以及球状星团之类的多星系统。我们可以通过黑洞对其他天体运动的影响来找到它们。如果发现某天体附近有一个不可见的天体质量过大,不可能是白(或黑)矮星或中子星,那么它就很可能是黑洞。

黑洞在观测天文学中还有另一个角色。它现在的状况让我们想起当年的中子星。曾有许多年,天文学家一直试图通过搜寻某种效应探测中子星,比如X射线辐射。因为按照理论预言,中子星理应发出这种辐射。但中子星最终却是通过完全没有想到的效应被探测到的,而且这个效应依然没得到真正令人满意的解释:脉冲星标志性的快速、规律的电磁脉冲辐射。很有可能,黑洞也会因某种未预料到的附带效应而被发现。今天的天文学不缺少可能与黑洞相关的未解现象,比如类星体和射电星系庞大的能量输出、星系中心的爆发现象、一些类星体和星系光谱的异常红移以及星系质量测量结果的不一致,甚至正常星系的旋臂结构也还有些严重的问题。最重要的是,美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)似乎观测到了从我们星系中心传来的引力波。如果这些波是连续地从星系中心向所有方向发出的,那么它们携带的能量会导致星系每年损失数千倍太阳质量。这个数值看起来和其他观测有严重冲突。

黑洞理论暂时还不能为这个现象或上述其他现象给出令人信服的解释,但这是个年轻的研究课题。对于韦伯的引力波,最理想的解释是,这些波是高度集中沿着银道面方向发射的。而太阳靠近银道面,引力波如果是集束的,韦伯的探测器就可能接收到了星系中心发出的绝大部分能量。如果是这样,那么所有观测的矛盾就都消除了。有些研究者已经在尝试用银河系中心存在高速旋转的巨型黑洞来解释这种集束效应,但是到目前为止,这些尝试还不太令人信服。

也有可能没有任何基于黑洞的解释能行得通。如果韦伯的观测依然站得住脚,那么我们更愿意尝试用裸奇点来解释观测结果,而不是放弃广义相对论(除了时空曲率极大的区域,在那里我们认为经典理论无论如何都会失效)。值得指出的是,克尔得出的一些爱因斯坦方程的解恰好体现了裸奇点。卡特已经计算过,裸奇点产生的任何效应都只能在一个平面上观测到。如果这个现象以某种方式出现于我们星系的中心,那么我们可以想象,奇点既可以解释银道面的存在也可以解释韦伯的引力波。尽管这是对韦伯观测的一种激进的解释,但它的确可以消除不同观测结果之间的不一致。相比之下,黑洞现在可以看作是“传统”的解释。实际上,由于这个原因,黑洞也应该是优先考虑的解释。不过,自然并不总是青睐传统的解释,尤其是在天文学中。

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