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宇宙的最后三分钟 [:1700906553]
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宇宙的最后三分钟 第五章 黑夜降临
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银河系闪烁着 1000 亿颗恒星的光芒，它们中的每一个又都必然面临末日的到来。在 100 亿年后，我们现在所见到的大多数恒星将会从视线中消失，因缺乏燃料而死去，成为热力学第二定律的牺牲品。
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但是，银河系将依然星光闪烁，因为即使一些恒星死亡了，新的恒星会生而代之。在银河系的旋臂，如太阳目前所在的旋臂中，气体云在引力作用下收缩、坍缩和碎裂，并触发一连串的恒星诞生。看一下著名的猎户座，就会发现这种恒星苗圃中的活动情况。猎户“佩剑”（在北半球看来它好像被挂在腰带的下方），中央有一团黑糊糊的绒毛状光斑。实际上它不是一颗恒星而是一团星云。在这个巨大的气体云中散布着一些明亮的年轻恒星。天文学家最近通过观测红外辐射（而不是可见光），已窥察到那儿处于最初形成阶段的恒星，它们仍然被气体和尘埃所包围，亮度也就降低了。
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只要有足够的气体，在我们星系的旋臂中将会继续形成新的恒星。银河系气体一部分是还没有聚集成恒星的原初物质，而另一部分气体则是从老年恒星以超新星碎屑、星风、小爆发和其他一些过程的形式抛出来的。显然，这种物质的再循环过程是不可能永无止境的。当老年恒星死亡并坍缩成白矮星、中子星或黑洞时，便不能再对星际气体进行补充。原初物质会一点一点地并入新生的恒星，直到全部用完。当最后一代恒星走完它们的生命轮回而死亡时，星系便不可避免地开始变暗。这种变暗过程会拖得很长，要经过好几十亿年之后，最小最年轻的恒星才能结束它们的核燃烧，并收缩成白矮星。但是，作为缓慢而痛苦挣扎的结局，永恒的黑暗终将来临。
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类似的命运等待着所有散布在广袤空间中的其他星系。现在，整个宇宙因核动力的丰富能量而显得绚丽多采，但它终将把这种宝贵的能源消耗殆尽。光辉时代总要永恒地结束，一去而不复返。
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但是，当宇宙之光熄灭的时候，宇宙的末日还不会来临，因为还存在另一种比核反应更强大的能源。引力，这种在原子层次上最弱的自然力，在天文尺度上可以变成占绝对优势的力。引力的效应也许是相对温和的，但是这种力却是百折不挠，永远存在。在几十亿年时间里，恒星借助核燃烧来维持自己，抵抗自身的重量。但是，每时每刻引力都在寻求机会，以图把恒星压得粉碎。
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原子核中两质子间的引力仅仅是核力的 10 万亿亿亿亿分之一( 10-37 )。不过，引力具有累积的特性。恒星中每增加一个质子，总重量就会增加，最终引力会变得压倒一切。正是这种压倒一切的力为我们提供了打开巨大能库的钥匙。
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没有一种天体能比黑洞更生动地说明引力的威势了。这里，引力获得绝对的胜利，恒星被压得荡然无存，要说留下痕迹也只是使周围时空变得无限弯曲。关于黑洞，有一个绝妙动人的思想性实验。想象有一小球，譬如一个普通的台球，从远处落入黑洞。这个球钻入黑洞后便会从视野中消失，它就这样丢失了，再也找不回来。但是，它在黑洞的结构中会留下曾经存在过的一丝痕迹。作为黑洞，吞没这个球的结果是会变得稍稍大一点。计算表明，如果这个球从静止状态直接落向黑洞中心，黑洞增加的质量将等于小球原来的质量，任何能量或质量都没有逃逸出去。
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图 5-1 在这项理想化的假想性实验中，绳子系住的重物用一固定的滑轮系统（图中未画出固定装置）朝黑洞表面慢慢下降。结果，下降的重物会做功，并把能量释放给盒子。当重物接黑洞表面时所释放的总能量便趋近于重物的全部静止质量能。
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现在来考虑另外一个实验，实验中的小球是慢慢地向黑洞下降，用一根带子系在小球上就能做到这一点。把这根带子穿过滑轮连到一个可使带子放松的滚筒上（图 5-1 ，假设这根带子没有弹性，也没有重量。这只是一种习惯假定，以避免讨论的复杂化）。小球下降时会释放出能量，如通过与滚筒连在一起的发电机的转动便能做到这一点。小球越靠近黑洞表面，黑洞对小球施加的引力越强。因此小球的重量增加，而它对发电机所作的功便越来越大。简单的计算可以求出小球在到达黑洞表面之前总共可以把多少能量赋予发电机。在这种理想情况下，答案是相当于这个小球全部静止质量的能量。
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回想一下爱因斯坦的著名公式 E ＝ mc2 ，它告诉我们质量 m 所相当的能量为 mc2 。利用黑洞，人们原则上可以收回这份能量。对一个重 100 克的台球来说，这份能量意味着约 l0 亿千瓦时的电功率（光速 c 为每秒 30 万公里）。作为比较，太阳通过核聚变燃烧100 克燃料，所释放的能量还不到这个数字的百分之一。所以，原则上引力能的释放比作为恒星能源的热核聚变强 100 倍以上。
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当然，上述两种假设情况完全是不现实的。毫无疑问，天体在连续不断地落入黑洞，但决不是准确地沿径向下落，也绝对不会以最有效的汲取能量方式悬挂在滑轮上。因此，实际发射的静止质量能量介于零和百分之一百之间，具体来说究竟有多大比例则取决于物理环境。在过去的几十年里，天体物理学家进行了广泛的计算机模拟，并研究了其他—些数学模型，以图认识气体在旋入黑洞时的行为，并估计所释放能量的大小和形式。这里涉及的物理过程非常复杂，但可以肯定的是，从这种系统可源源不断地输出巨大的引力能。
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一次观测等价于 1000 次计算，天文学家一直在广泛地搜索可能正处于吞食物质过程中的黑洞。在天鹅座有一个看来很令人相信是黑洞的系统，那就是天鹅 X-1 ，光学望远镜发现了一个巨大而又炽热的恒星，这类恒星因其颜色而称为蓝巨星。天文学家从它的光谱可以知道这颗蓝巨星不是一颗单星，因为它表现出节律摆动，说明附近有一个天体正通过引力作用周期性地牵制它。很明显，这颗星和另一个天体在密近轨道上互绕着转动。但是，光学望远镜怎么也看不到它的伴星；它要么是个黑洞，要么是颗很暗的致密星。它是个黑洞只是一种可能，而决不是证据。
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进一步的线索来自对这个暗天体质量的估计。只要知道蓝巨星的质量，暗天体质量便可按牛顿定律导出。为了做到这一点，可利用恒星质量和它的颜色之间所存在的密切关系：大质量恒星往往温度很高，因而呈蓝色。计算表明，这颗不可见伴星的质量为几倍的太阳质量。很清楚，这不是一颗普通的暗小恒星，所以它必定是一个已经历了坍缩过程的大质量星，如白矮星、中子星或黑洞。但鉴于一些带根本性的物理学原因，这个大质量致密天体不可能是白矮星或中子里。问题在于，它有很强的引力场，而这种引力场会力图把这个天体挤压得粉碎。要避免完全坍缩成一个黑洞，必须内部存在某种压力，而且强度要足以同重力的镇压力相抗衡。但是，如果这个坍缩天体有几倍太阳质量，那么，就现在所知，没有一种力可抵挡这种能压碎一切的物质重量。事实上可以证明，如果恒星核区足够坚硬而不会被压碎，则核区物质中的声速必然会超过光速。因为这是违背相对论的，所以大多数物理学家相天文学家相信，在这种环境下黑洞的形成是必然的。
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但是，决定性证据完全来自另一项观测。正如天鹅 X-1 的名称所示，这个系统是一个强 X 射线源，而 X 射线可用特别设计的星载传感器来加以探测。根据天鹅 X-1 的暗伴天体是一个黑洞的假设，理论模型令人信服地给出了它的 X 射线流量。通过计算得出的黑洞引力场很强，因而能从蓝巨星中吸取物质。这些掠夺过来的气体在拉向黑洞并最终湮没的过程中，系统的轨道转动会使这些下落物质绕黑洞作涡旋式运动，并形成一个盘。这种盘不可能完全稳定，因为近中心的物质绕黑洞的转动比外边缘附近物质的转动快得多，而粘滞力则力图消除这种转动差异。结果是气体被加热，最后所达到的温度很高，因而不仅能发射可见光，而且能发射 X 射线。这相当于损失轨道能量，从而使气体缓慢地旋入黑洞。
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因此，关于天鹅 X-l 中存在黑洞的证据，有一系列相当长的推理过程。它既涉及观测细节，也用到理论模型。这也正是近年来许多天文学研究的典型特点。任何单一的证据不能令人信服，但是把对于天鹅 X-1 和许多其他类似系统的各种研究综合起来考虑，便有力地说明了黑洞存在的可能性。可以肯定地说，黑洞解释是最简洁也是最自然的。
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对于更大黑洞的活动，可以预期会出现更为壮观的效应。现在看来，许多星系的核心很可能包含超大质量黑洞，其证据是在这些星系核中观测到恒星在很快地运动，并且明显趋向一个有很强引力作用的高度致密天体。对这种天体质量的估计表明，它们可能包含了相当于 1000 万到 10 亿个太阳的物质，这么大的质量使它们对任何漂泊到附近的物质有一种贪婪的吞食本能。恒星、行星、气体和尘埃都可能为这类怪物所捕获。物质下落过程有时很可能非常激烈，以致会改变星系的整体结构。天文学家对各种各样活动星系核十分熟悉。有些星系的外貌确确实实呈现有爆发活动，许多活动星系是强射电源、强 X 射线源，或其他能量形式的强源。最与众不同的是一类具有巨大气体喷流的活动星系，喷流可长达数千甚至几百万光年。某些这类天体的能量输出之大简直令人难以置信。所谓类星体（或者说类似恒星状的天体）是一些极其致密的天体，直径可能只有 1 光年，所以它们看上去像是一些恒星，但所发出的辐射能却与数以千计的普通星系的辐射一样多。
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许多天文学家相信，这类受到严重扰乱的天体的中央发动机是一些巨大的旋转黑洞，它们正在摄取附近的物质。任何一颗恒星只要靠近黑洞，就很可能首先为黑洞的引力所撕裂，或者因与其他恒星发生碰撞而碎裂。这些被撕裂的物质可能形成一个热气体盘，它绕着黑洞旋转，并慢慢地向内沉落，这跟天鹅 X-1 的情况一样，只是尺度要大得多。于是，随着物质的内沉，大量的引力能沿黑洞的自转轴方向释放出来，从而产生一对方向彼此相反的喷流。这种能量释放机制和喷流的形成可能是很复杂的，它们不仅涉及引力，还涉及电磁力、粘滞力和其他一些力的作用。这一领域一直是理论和观测工作的重点研究课题。
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银河系又会怎样呢？是不是我们的银河系也会以这种方式遭到破坏呢？银河系中心位于人马座，离开我们有 30000 光年之远。它的内区被大量的气体尘埃云所遮蔽，但是利用射电、X 射线、γ 射线和红外辐射探测器，天文学家已经能够识辨出在那儿有一个高度致密而又蕴藏巨大能量的天体，称为人马 A* 。尽管人马 A* 的尺度不会超过几十亿公里（按天文标准，这是很小的），但却是银河系中最强的射电源。它的位置与一个很强的红外源相重合，而且同一个 X 射线天体靠得很近。虽然情况十分复杂，但那里隐藏着一个黑洞的可能性看来正在增大，而且用它至少可以解释若干观测现象。不过这个黑洞的质量可能不大于 1000 万倍太阳质量，正好处于超大质量范围的下限。没有任何证据表明它有其他某些星系核中所出现的那种大规模的能量发射和物质抛射的现象，但这也可能是由于这个黑洞目前正处于相对平静阶段。未来的某个阶段，也许在接收到更多的补充气体后，它可能会被激活。如果是这样的话，银河系核会变成激烈活动的星系核，虽然它不大可能会像我们所知道的其他许多星系那样道到严重破坏。现在还不清楚这种激活对位于银河系旋臂上的恒星和行星会有什么样的影响。
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只要附近还有物质供应给它，黑洞就会继续释放被吞食物质的质量能。随着几十亿年时光的流逝，越来越多的物质被黑洞所吞食，结果使黑洞变得更大，食欲更旺盛。这种魔鬼般的黑洞会通过其强大的引力场使偶尔靠近的天体快速地吞噬入其空腹之中，而且由于引力辐射，一种极其微弱但最终起决定性作用的引力过程，最终也会使在很远的轨道上绕其旋转的恒星难逃厄运。
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在 1915 年提出广义相对论后不久，爱因斯坦发现引力场有一个引人注目的特性，即这些引力场方程预言存在具有波动性质的引力振荡，它们的传播速度就是真空中的光速。这种引力辐射使人想起电磁辐射，如光波和无线电波。不过，尽管引力辐射可以携带很多能量，但在物质作用的程度上它不同于电磁辐射。无线电波很容易被像金属丝网那样的小巧结构所吸收，而引力波的作用则非常微弱，它可以畅通无阻地穿过地球而几乎毫无损耗。如果能做成一个引力激光器则需要 1 万亿千瓦的射束才能煮沸一壶水，效率只相当于 1000 瓦的电热丝。引力辐射是相当微弱的，究其原因在于事实上引力是自然界内各种已知力中最最微弱的一种。例如，原子中引力与电力之比约为 10-40 。我们之所以会注意到引力的唯一原因完全在于它的累积效应。因此，它对行星这种较大天体起着决定性的作用。
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引力波的效应是极其微弱的，它们的产物也毫不显眼。原则上说，只要质量受到扰动，就会产生引力波。例如，地球绕太阳的运动会发射出一系列连续的引力波并进入银河系，但输出的总功率仅有 1 毫瓦。这份能量损耗会造成地球轨道的减小，但减小的速率慢得出奇：每 10 年大约减小 1000 万亿分之一厘米。
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但是，对于以接近光速运动的大质量天体来说，情况便截然不同了。有两种现象可能导致重要的引力辐射效应。一种是突发性的激烈活动事件，如超新星爆发。或恒星坍缩形成黑洞。这类事件的结果是发射短暂的脉冲式引力辐射，也许只能持续几个微秒，但通常会携带 1044 焦耳能量（与太阳所输出的热量相比，后者约为每秒 3×1026 焦耳）。另一种是大质量天体彼此作高速互绕转动时的那种比较慢也比较规则的运动。例如，一对密近双星会产生大流量的引力辐射。如果其中的两颗恒星是坍缩天体，如中子星或黑洞，那么这一过程便特别有效。天鹰座里有两颗作互绕轨道运动的中子星，相距仅为几百万公里。它们的引力场极强，每转动一周所需要的时间还不到 8 个小时，因此这两颗恒星的运动速度同光速相比也是相当可观的。这种非同寻常的奔跑极大地放大了引力波的发射率，结果，轨道的每年减小量便可以测量出来（运动周期约改变 75 微秒）。随着这两颗恒星向内盘旋接近，发射率将逐步上升，这就注定它们在 3 亿年后会彼此相撞。
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