旅行到时空边缘：恒星演化的最后归宿

第29章　空无之境

看似不停吞噬，其实里面空空如也

恒星的三种结局

现代天体物理学的理论模拟表明，恒星演化的最后归宿，除了有某些超新星彻底炸为齑粉完全化为一片星云之外，其余的只有三种情况：

（1）白矮星。如果恒星最后留下的残骸质量不大，将形成一颗白矮星；

（2）中子星。如果残骸质量超过白矮星质量上限，将坍缩为中子星；

（3）黑洞。如果残骸质量超过中子星质量上限，将继续坍缩为一个黑洞。

中子星的质量上限称为奥本海默极限，它的数值没有白矮星的钱德拉塞卡极限—1.44那么精确，可能是1.5至3倍太阳质量之间的任何值，理论家们对这个领域还没有摸透。当中子星质量超过奥本海默极限的时候，万有引力变得如此强大，没有任何已知的物质力量能够抵挡住它的压力，中子碎裂开来，所有物质被压向星球中心，继而消失于无形，天体形成一个黑洞。

并非致密星

黑洞最早来自广义相对论的预言。1915年，爱因斯坦广义相对论刚刚发表，德国天文学家卡尔·史瓦西就发现，按照广义相对论对空间弯曲的解释，如果天体质量压缩到某一半径范围内—史瓦西半径，它周围的空间就会如此弯曲，以至于它会自我封闭起来。其后果是，任何物质—即使跑得最快的光，都不能从里面逃出来—它成了一个黑洞！对于太阳质量的天体，史瓦西半径是2.95公里，如果有外力能把太阳压缩到这个半径以内，太阳就成了一个黑洞。

爱因斯坦对史瓦西的才华非常敬佩。那一年正值第一次世界大战，史瓦西应征入伍，与俄国军队作战，不幸阵亡，时年43岁。爱因斯坦在为史瓦西写的悼词中说：“这位有高度才能学问渊博的科学家的早逝，不仅是我们，也是天文学界和物理学界所有朋友们的悲痛和损失。”但其实爱因斯坦并没有把黑洞当真。

黑洞的味道太怪了，爱因斯坦感觉很不对劲，他在1930年代进行了计算，发现如果一个星体坍缩形成黑洞，它里面的压力是如此之大，以至于星体粒子的运动速度会超过光速，这是不可能超越的，于是爱因斯坦相信，黑洞这种东西不可能真的存在。

爱因斯坦的观点代表了那个时代多数科学家的认识—现代很多人依然这样认为，他们错误地将黑洞想象成一个致密星，它不停地吞噬，里面塞满了致密物质。这就是被物质的形态障碍住了。粒子的速度固然不可能超过光速，可是它们会不会消失呢？如果星体真的变成空无的状态—形成一个黑洞，超光速的矛盾也就不存在了。

假如爱因斯坦能够超越致密星的障碍，就会意识到黑洞的产生实属必然。然而，即便聪明如爱因斯坦，也有难以突破的误区。他之前曾因静态宇宙观错失了对膨胀宇宙的预言，现在又因为拘于物质的形态否定黑洞的存在。

不雅的名字？

黑洞两个字形象地表明了它的特征：黑—连光都不能从里面逃出来，彻底黑；洞—里面空空如也，不存在任何目前已知的物质形态，达到了真正的空无之境。这可以说是天体演化的最高境界，最奇异，也最简单。用基帕·索恩的话来讲，黑洞就是弯曲的空间和弯曲的时间，除此之外，别无他物。他这样写道：

在人类头脑的所有概念中，从独角兽、滴水嘴到氢弹，最奇异的也许还是黑洞：在空间中有一定边界的洞，任何事物都可以落进去，但没有东西能够逃出来；一个引力强大到能将光牢牢抓住的洞；一个能令空间弯曲和时间卷曲的洞。

黑洞这个贴切的名字第一次出现在1967年，是约翰·惠勒的发明，在此之前，科学界使用的名词叫“冻星”—光线被冻结，无法向外辐射。

“黑洞”这个词虽然生动形象许多，但它刚开始受到许多人抵制，尤其是法国人，感觉这个词低俗甚至淫秽。然而，“黑洞”如此通俗有力，很快攻陷所有媒体，最终被所有人接受。

后来约翰·惠勒更得寸进尺，又发明了另一个看起来更恶俗的名字—黑洞无毛。

有关黑洞的图片，都显示一个黑黑的圆，那是黑洞的视界。视界并非是实体的存在，而是光子能否逃离的分界线。视界以外，光线有可能逃离黑洞，视界以内，光线不能逃离，仅此而已。如果一个人向黑洞降落，他在越过视界的过程中几乎很难发觉任何奇异的地方，他环顾四周，无法很准确地知道视界到底在哪里。视界对于他而言，就像地球的赤道。一个人乘船在大海上穿越赤道，不会有任何特殊的感觉，越过黑洞的视界也是如此，甚至越过视界进入黑洞内部的时候，他仍然能够看到位于自己上方的宇宙，因为视界内部的光线虽然不能逃离，但外部的光线还可以进入黑洞。

因为黑洞视界只是一个虚无的边界，它必然是光滑的，不会有任何凸起的细节，约翰·惠勒发明了一个新短语来描述它—黑洞无毛。这在一些人眼里，是相当低级庸俗的语汇，简直亵渎了物理学的神圣殿堂。著名的《物理学评论》杂志主编帕斯特纳克表示，不管论文写得多好，他都决不允许这种猥亵的字眼出现在他的杂志上，但他抵挡不住强大的世俗力量，“黑洞无毛”很快就成为物理学的流行用语。

极度弯曲的空间

黑洞那极度弯曲的空间会表现出极为奇异的光学特性。

黑洞虽然很黑，却不是个捉迷藏的好地方，如果你想把自己隐藏在黑洞后面，那将是徒劳的，黑洞会把你清晰地显现于它的前方。

在黑洞周围弯曲的空间里，每条光走过的都是最直路径，但因为空间弯曲，其路径就被偏转了。如果你躲在黑洞后方，你发的光会从黑洞周围弯曲过来，结果你会在黑洞四周呈现一圈像。不同于镜中的幻象，这所有的像都是真正的你，如果用激光枪对着你的任何一个像发射，激光都会击中你，因为激光也会沿着同样弯曲的路径前进。

假如黑洞外围有一个吸积盘，就像土星的光环那样，这个吸积盘看起来会很不一样，因为黑洞会把后面那部分吸积盘发的光从周围弯曲过来，结果是它的上下两个面都会呈现在你面前，躲在黑洞后面的情形与此类似。

如果你向黑洞视界降落，将会看到黑洞周围弯曲空间的另一个奇异景象。黑色的圆盘会随着你的降落越来越大，就像巨大的黑色地板铺满你的脚下，然后它们渐渐从你周围升起，如同一圈黝黑的环形山把你围在当中；本来是四面八方都有的星空，现在全部浓缩到你的头顶，你感觉自己陷入了一个井中，随着你越陷越深，头顶的那片星空也越来越小。

这并不是因为你落入了黑洞，依然是黑洞对光线的弯曲所致。出现在头顶亮区中心的星光才真正是在头顶上的，从中心向外，有水平方向射来的星光，有黑洞背后弯曲来的星光，最外围是后面星体形成的层层叠叠的像，它们形成了一个明亮的星环。

极度弯曲的时间

伴随着黑洞周围的空间弯曲，那里时间的流逝也大大不同。假如你在环绕黑洞的飞船上，派出一个机器人靠近并落入黑洞，这过程可以把时间变慢效应显示出来。

你会惊讶地发现，机器人向黑洞下落，不是越来越快，而是越来越慢。越接近黑洞，机器人下落得越慢，靠近黑洞视界时，机器人看上去几乎停滞不前，向黑洞的进发变得异常艰难。即将进入视界时，机器人竟然冻结在那里，无论等待多久，你也看不到它落入黑洞的画面。

这当然只是表象，实际上，机器人早就越来越快地落向黑洞，瞬间穿越黑洞视界，消失在黑洞中央的奇点。你之所以看到机器人下落得越来越慢，是因为黑洞附近的时间变慢，光子从机器人传递过来，花费的时间越来越长，而在视界处的光子，由于时间流逝变得无限慢，它永远也不会传递过来，那里的时间被“冻结”，画面被永远定格。

因为时间变慢效应，你接收到的机器人传来的光子，产生了明显的引力红移：波长越来越长，光子能量越来越弱，画面越来越暗淡。最后到达视界的一幕，光子波长达到无穷大，完全丧失了传播能力，外部世界彻底看不到了。

在一部科幻小说中，探险家落入黑洞后，保险公司拒绝支付保险金，理由正基于此。虽然从探险家自己的参照系看，他通过了视界，快速落入黑洞而消失，但保险合同是根据黑洞外部世界的参照系制定的，在这个参照系中无法证明探险家已经落入黑洞，甚至理赔都不行，保险理赔必须等事故结束后才能进行，而从外部观察，探险家将永远处于向黑洞坠落中，事故永远也不会结束。

黑洞蒸发

一般来说，人类的观念似乎总是跟不上新事物。科学家们花了半个世纪好不容易明白了黑洞，接受了黑洞只进不出一毛不拔的品性，认为它是宇宙的终极坟墓，这时，霍金又提出了新的观点。

1974年2月14日，一个刮着大风的漆黑夜晚，霍金的妻子简开着车送霍金去牛津开会。第二天上午，32岁的霍金在报告厅讲演，简坐在外面的茶室里浏览报纸，远处几个清洁女工一边抽着香烟，一边满腹牢骚地东拉西扯，闲言碎语像烟雾一样四处飘散。其中一个说：“那里面有个人，就是那个年轻的家伙，在世的日子没有多少了，是不是？”另一个人附和说：“噢，不错，是的，他看上去好像要垮了，连头都快撑不住了。”几个人都开怀大笑起来，一边宣判着霍金的死刑，一边漫不经心地把香烟灰弹进烟灰缸。简瞬间如同电击一般麻木，未来的希望就像清洁女工吐出的烟圈般消散。

然而霍金并不在意外界的看法，或者说他已经习惯了，他坚强而冷静地立足于这个世界，并睿智地理解着自己置身于其中的宇宙。他在会议上清楚地阐述出自己的观点：黑洞并不是一毛不拔，它会蒸发，丧失质量与能量，体积会随着蒸发缩小。

霍金的黑洞蒸发理论基于量子场论：真空不是绝对的空虚，它在不断地产生着正负粒子对，并且又很快湮灭归于虚无。这些正、负粒子对存在的时间极短，又不能直接探测到，它们被称为虚粒子对，产生和湮灭的概率相等，所以平均说来，就没有任何新的粒子真正产生出来，自然界的能量是守恒的。

但是霍金发现，假如虚粒子对产生在黑洞的视界附近，黑洞弯曲的空间会导致虚粒子对中的负粒子落入黑洞的概率更高一些。负粒子带有负能量，落入黑洞以后等效于一个正粒子从黑洞中逃脱出来，就像黑洞从内部向外界发射出了能量，这就是黑洞蒸发。

蒸发宣判了黑洞的死刑。当黑洞经历了漫长的悠悠岁月，尤其是极其久远的未来，宇宙膨胀得温度比黑洞还低时，蒸发就会导致黑洞自身缩小，温度上升，随之又会加速蒸发。当黑洞缩到比原子核还小时，会达到难以想象的高温—100亿度以上，黑洞将在一次大爆炸中彻底消失！这样，黑洞就不再是宇宙的终极坟墓，它和其他天体一样也只是万物演化的一个环节，这再一次颠覆了人们对黑洞的认知。

霍金演讲完毕，会议主席—伦敦国王学院的约翰·泰勒教授并没有报以礼貌的掌声，他感到正统的黑洞学说受到了异端思想的攻击，大为震惊，站起来气势汹汹地说：“太荒谬了！我从来没有听过这么荒谬的话，我别无选择，只能宣布，立即散会！”

真的存在吗？

黑洞理论研究已经栩栩如生，但令科学家们遗憾的是，从来没有在宇宙中发现真正的黑洞，因而它总是停留在理论上。人们能够在宇宙中找到黑洞吗？

黑洞不发光，我们看不到，它们会不会就隐藏在我们附近，像有些人担心的那样有朝一日吞噬我们？比如，太阳系里会有黑洞吗？

这个真没有。如果太阳系里隐藏着黑洞，虽然看不见，但它的巨大引力影响会是显而易见的，行星的轨道会被扰动甚至破坏，但这种事情没有发生。

寻找太阳系外的黑洞是艰难的。假如一个3倍太阳质量的黑洞，距离在4光年之外，它的体积如此之小，我们看它，就像是从地球看月亮上一根头发丝的直径，再好的望远镜也根本分辨不出来，况且它还不发光。

不过，黑洞虽然不发光，但它也可以是宇宙中最明亮的天体—不是在可见光波段，而是X射线波段。黑洞吸积周围的气体物质，气体物质旋转着落向黑洞，它们被黑洞加速得越来越快，温度越来越高，最终达到几百万度以上的高温，这些高温气体会释放出大量的X射线，所以用射电望远镜去看，黑洞会是明亮的X射线源。反过来，明亮的X射线源可能暗示出黑洞的存在。

天文学家们正是追寻着X射线源的踪迹去寻找黑洞的。20世纪70年代找到了4个候选人—“黑洞四人帮”，其中最有名的是天鹅座X-1—天鹅座排名第一的X射电源。

用光学望远镜对天鹅座X-1观测，发现这个地方有一颗视亮度为9等的恒星，恒星编号为HDE226868，距离太阳约6000光年，是一颗高温蓝色超巨星，质量在25倍至40个太阳之间。强大的X射线是由这颗恒星发射出来的吗？不是，因为这是一颗正常的恒星，温度没那么高，不可能发出强大的X射线。

天鹅座X-1双星想象图：黑洞吸积伴星物质形成一个气体盘

HDE226868有一个看不见的伴星，X射线就由它而来。蓝色巨星和看不见的伴星相距约1400万公里，远小于水星到太阳的距离，两星5.6天就环绕一周。X射线发射区范围只有1000公里，且强度波动极其迅速，在0.001秒内就从强到弱变动一次，这表明，这颗不可见星1毫秒就自转一周，它一定非常小，从尺度上来说，只可能是中子星或者黑洞。

但不可见伴星的质量却并不小—16倍太阳质量！即使测量有误差，再保守的计算也超过了中子星的质量极限，所以，它很可能是一个黑洞。

关于天鹅座X-1究竟是不是黑洞，1974年，史蒂芬·霍金和基帕·索恩打了一个赌。霍金赌它不是，索恩赌它是。赌约写道：“鉴于史蒂芬·霍金对广义相对论和黑洞素有研究而但求保险，基帕·索恩好冒险，故以打赌定胜负。霍金以1年《阁楼》对索恩4年《私家侦探》，赌天鹅座X-1不含质量大于钱德拉塞卡极限的黑洞。”

1990年6月，霍金在南加利福尼亚大学演讲。演讲结束后，霍金带着家属、护士和朋友闯进基帕·索恩在加州理工学院的办公室，把赌约找出来，让别人在上面签上：“认输，1990年6月。”按上了自己的指印。

基帕·索恩在《黑洞与时空弯曲》中这样写道：“20世纪90年代，我们几乎百分之百地相信，不仅天鹅座X-1，而且在我们星系的其他许多双星中，都存在着黑洞。”

虽然霍金认输，但并不表明天鹅座X-1被确认为黑洞；虽然天文学家们“几乎百分之百地”相信，也并不表明宇宙中真的就存在着大量的黑洞。科学家最大的遗憾，是没有黑洞更直接的证据。然而在2015年，也就是广义相对论创立100周年的时候，远方宇宙传来的引力波信号，把隐秘的黑洞碰撞生动地展现在人们面前。

空间的涟漪

引力波也是广义相对论的预言。广义相对论里，引力变成了空间弯曲，当空间的曲率变化时，就会产生曲率波向外传递，激起空间的涟漪，这就是引力波。引力波以光速向外传递，所到之处，空间曲率随之变化，于是物体便随之变形。如果引力波传到地球，地球以及地球上的所有物体都会在垂直引力波方向上拉伸或挤压，这种拉伸或挤压按照引力波的频率振荡，如同晃动的哈哈镜中的景象一般。

但引力波和物质的相互作用太微弱了。宇宙中最为猛烈的事件—比超新星爆发还要强烈无数倍的，是两个黑洞的碰撞融合。黑洞本身是弯曲的空间，当两个黑洞在绕转、碰撞、合并的过程中，发出的引力波最为强大，那时候就会有好多倍太阳的质量转化为能量，以引力波的形式辐射出去。

即便如此，当宇宙深处黑洞碰撞的引力波到达地球时，它引起的空间振动幅度不到10^-21米，这样的引力波对一个人的身高影响大约只有一个质子直径的百万分之一。

引力波这样微弱，以至爱因斯坦认为人类可能永远都不会探测到，他甚至还有两次宣布引力波不存在。然而在广义相对论诞生100周年的时候，科学家们终于探测到了梦寐以求的引力波。

LIGO传奇

引力波会迫使物体在不同方向上不断拉伸和压缩，测量出这种变形就能测出引力波事件，麻省理工的韦斯就想到了当年麦克尔逊以太漂移实验的方法，即用光束的干涉把长度变化放大出来。这个装置有两个互相垂直的臂，在两臂交会处，一束激光被一分为二，分别进入两臂的管道内，然后被终端的镜面反射回原出发点，在那里两束光相遇发生干涉。若有引力波通过，便会引起空间变形，一个臂会稍稍变长而另一臂略微缩短，这样就会造成光程差发生变化，激光干涉条纹就会发生相应变化，这个装置就叫激光干涉引力波探测器（LIGO）。

LIGO由两个设施组成，一个位于华盛顿州，一个位于路易斯安纳州，相隔3000公里，以引力波的速度需要1/100秒能到达。如果两处设备在1/100秒内接到同一个信号，说明它来自宇宙；只有一处探测到信号，就是由地面环境因素造成。

LIGO项目1991年开始实施，10年后第一代探测器投入使用。项目实施后的第二个10年，LIGO没有探测到任何可靠的引力波信号。2010年，LIGO开始了为期5年的升级，仪器设备灵敏度大大提高，探测距离远了10倍，探测空间扩大了1000倍，于是一个传奇发生了。

升级工作在北京时间2015年9月14日17点（当地时间的凌晨）最终完成，等待4天后正式交付使用。这时候，设备已经开启，开始静静地采集数据。50分钟之后，两个微弱的信号分别通过了两个探测器，相差只有7微秒，持续不到0.2秒。

这在德国是9月14号中午，马可·德拉戈，一位32岁的意大利籍博士后正坐在爱因斯坦研究所他自己的电脑前，远程观看LIGO的数据。信号出现在他的屏幕上，就像一个被压缩了的曲线，德拉戈看到这信号，他惊呆了，会这么快吗？

经过几个月的紧张解读，排除各种可能的干扰，LIGO的科学家们终于确信，9月14日的信号的确就是引力波！这一结果于2016年2月11日公布，那个持续不到1秒的微弱信号，透露了一个发生在宇宙深处的生动故事。

远方的黑洞之舞

13亿年前，南半球天空大麦哲伦星云附近的天区，13亿光年之外的一个河外星系里，有两个黑洞开始了激情的演出，他们手牵手，跳起了高速旋转的舞蹈。这两个黑洞都很大，一个有29倍太阳质量，一个有36倍太阳质量，它们的舞蹈如此震撼，以至振荡了周围的空间，激起了一圈圈空间的涟漪—引力波，向遥远的宇宙空间辐射。引力波辐射消耗了能量，两个黑洞越舞越近，到了最后的高潮时，它们激动地扑向对方，开始了伟大的结合，在不到0.2秒时间里，形成了一个新的黑洞。

这个过程有多猛烈呢？新生成的黑洞有62倍太阳质量，比两个黑洞质量之和少了3倍太阳，这些质量全部转变成能量，以引力波形式瞬间释放到宇宙空间，功率大约是可观测宇宙所有恒星功率之和的50倍！

引力波以光速向太空进发。那时候的地球还只有一个大陆板块，细菌和藻类在其上繁盛。经过了漫长时间，大陆漂移了，无数的生命诞生、兴盛又灭绝，这样过去了13亿年，黑洞合并产生的引力波一直以光速向地球飞奔。经历了13亿光年的漫漫旅途，终于，在北京时间2015年9月14日17点50分4 5秒，刚好LIGO完成测试后50分钟抵达地球，相隔7微秒，先后从路易斯安纳州和华盛顿州的两台孪生引力波探测器中穿越，推动探测器4000米的臂长发生了0.000000000000000000001米（10^-21）米的振荡变化，被探测器记录下来，这是人类第一次得到来自黑洞的真实信息。

引力波的探测，使爱因斯坦广义相对论得到了最后验证。基于广义相对论，人类对于空间和时间有了更深刻的理解，宇宙起源和天体演化的图景更加清晰，更加可信。

两个黑洞绕转、合并的过程中释放出引力波。

创生之路在继续

恒星的死亡为宇宙制造出来了大多数元素，这是创生之路的第二个阶段。接下来，在死亡恒星形成的富含重元素的星云里，要凝聚形成新一代行星系统，太阳系就是其中之一，那是宇宙为生命创造的安全而舒适的保障系统，这是创生之路的第三阶段。