“黑洞吞噬理論”面臨世紀挑戰
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )資源 2009-09-22 21:37:49
浩渺宇宙中，一顆恒星偏離了原來(lái)的軌道，闖入了黑洞的禁區，結果就在黑洞巨大引力作用下不斷伸展，被撕扯得四分五裂，直至被完全吞噬。曾幾何時(shí)，上述頗具科幻色彩的場(chǎng)景是很多人對“黑洞”的設想，相當多的天文觀(guān)測表明黑洞會(huì )吞噬掉它周?chē)奈镔|(zhì)，這也是科學(xué)界的主流觀(guān)點(diǎn)。
然而，10月13日美國宇航局錢(qián)德拉信息中心的一份報告稱(chēng)，借助美國宇航局的錢(qián)德拉X射線(xiàn)太空望遠鏡，天文學(xué)家們在黑洞“半人馬座A*”（SagittariusA*）周?chē)鷧^域發(fā)現了一個(gè)環(huán)形新生恒星帶，證實(shí)銀河系中心大黑洞附近的環(huán)境有助于催生新的恒星。這一天文新發(fā)現將刊登在近期出版的《皇家天文學(xué)協(xié)會(huì )月報》上。
這一新的發(fā)現是否意味著(zhù)傳統的黑洞吞噬說(shuō)將被新的發(fā)現所“吞噬”？國家天文館的專(zhuān)家在接受本報記者專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)表示，雖然黑洞周?chē)呱潞阈怯兄?zhù)特定的條件，但這一發(fā)現對于黑洞和恒星的研究仍然具有突破性意義。錢(qián)德拉太空觀(guān)測站拍攝到的半人馬座星云圖。“半人馬座A*”黑洞及其周邊“恒星環(huán)”的模擬圖。
發(fā)現“錢(qián)德拉”射穿“半人馬”
“世界上有兩件東西能夠深深地震撼人們的心靈，一是我們心中崇高的道德準則，一是我們頭頂上燦爛的星空。”哲學(xué)家康德這樣表示對宇宙星空的崇敬之情。而人類(lèi)對“天”的探索從來(lái)就沒(méi)有停歇過(guò)，來(lái)自宇宙的新信息不斷改變著(zhù)人們對宇宙、對自我的認識。
美國宇航局錢(qián)德拉信息中心利用繞地球軌道運轉的錢(qián)德拉X射線(xiàn)太空望遠鏡觀(guān)測到，在銀河系中心的黑洞“半人馬座A*”周?chē)嚯x一光年的區域，一個(gè)巨大的碟狀星際塵埃云團正孕育著(zhù)大量新生恒星天體，這些新生恒星構成了一個(gè)“環(huán)”。根據目前的觀(guān)測結果，至少已發(fā)現有50到100顆質(zhì)量巨大的新生恒星。
遮掩在厚厚的塵埃帶后，巨大橢圓星系半人馬座A的核心，在可見(jiàn)光波段通常隱而不顯。在浩渺的宇宙空間中，半人馬座A距離地球約1100萬(wàn)光年，被稱(chēng)為離我們最近的活躍星系。盡管是一活躍的星系，但之前，半人馬座A卻是天文學(xué)家不可攻克的難關(guān)。
國家天文臺科技計劃處處長(cháng)薛隨建研究員告訴記者，半人馬座A位于南天的半人馬座內，在天文學(xué)上，早有預測半人馬座A可能藏著(zhù)一顆100萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。但厚實(shí)的塵埃帶是半人馬座A的一大特色，而另一特點(diǎn)便是擁有許多X射線(xiàn)輻射源，以及一個(gè)彌漫的X射線(xiàn)光，這使得在可見(jiàn)光波段半人馬星座隱而不顯，要觀(guān)測到它的動(dòng)態(tài)就必須要用X射線(xiàn)波段。
“此次‘錢(qián)德拉’X射線(xiàn)太空望遠鏡正好是在X射線(xiàn)波段工作，同時(shí)又具有高的空間分辨率、光譜分辨率，因此恰能發(fā)揮出它的功效。”薛隨建解釋了新發(fā)現的原因。
“這次觀(guān)測的最大突破就是天文學(xué)家觀(guān)測到在黑洞的附近也有恒星物質(zhì)的較穩定存在。這些恒星呈環(huán)狀出現，其實(shí)這一環(huán)狀就是天文學(xué)上的‘吸積盤(pán)’。”薛隨建解釋道，所謂“吸積盤(pán)”，是指圍繞著(zhù)黑洞高速旋轉的漩渦狀結構。
一般認為，黑洞被“吸積盤(pán)”環(huán)繞。“吸積盤(pán)”在摩擦力與潮汐力的作用下會(huì )變得非常熾熱，溫度達到數百萬(wàn)度，并釋放出高能輻射，如X射線(xiàn)等，這也是天文學(xué)上能夠觀(guān)測到黑洞的依據。“恒星等會(huì )被黑洞的巨大引力所撕裂，這是長(cháng)久以來(lái)形成的共識，但觀(guān)測的結果卻讓我們看到了硬幣的另一面。”
說(shuō)法：黑洞催生恒星要有條件
黑洞會(huì )將一切靠近它的物體吞噬，那么美宇航局的新發(fā)現又是怎么回事？
對這一新現象，天文學(xué)家給出了兩種猜想。一是黑洞附近星際塵云的引力抵消了黑洞的吸引力，構成比較安定的環(huán)境，從而有助于新恒星誕生；另一種解釋是這些新恒星是在其他地方誕生的，被黑洞的引力“拉”了過(guò)來(lái)。
以英國萊斯特大學(xué)天文學(xué)家納亞克申為首的天文學(xué)家排除了遷徙說(shuō)，因為他們只觀(guān)測到約1萬(wàn)顆的小質(zhì)量恒星，但如果是從其他地方遷徙過(guò)來(lái)的則小質(zhì)量恒星的數目應該不少于100萬(wàn)顆。對此，薛隨建也表示，此次在黑洞附近發(fā)現新恒星，觀(guān)測上排除了“捕獲”恒星說(shuō)，因此很可能是周?chē)e盤(pán)上誕生的恒星，而不是由別處“遷徙”而來(lái)。
“不過(guò)，這一天文新發(fā)現并不能完全將之前的黑洞吞噬說(shuō)推翻，畢竟這是個(gè)別現象而不是普遍現象，要對此現象下一確切的結論還要留待以后更多的天文觀(guān)測結果來(lái)證明。但這畢竟是我們天文學(xué)上的一個(gè)突破。在此之前，我們知道形成新恒星的氣體和塵埃云會(huì )被這個(gè)中心黑洞吸引進(jìn)去，無(wú)法維持新恒星形成的穩定環(huán)境，但此次的觀(guān)測卻找到大量體積較大的新生恒星在黑洞附近區域產(chǎn)生的證據。”薛隨建認為，目前可以肯定，黑洞催生新恒星的誕生肯定是有條件的。“因為如果黑洞附近的吸積盤(pán)不夠大，完全受黑洞引力擺布的話(huà)，不易形成新的恒星；但是如果吸積盤(pán)足夠大，其自身引力由于抵御黑洞引力所產(chǎn)生的物質(zhì)湍動(dòng)，可使氣體盤(pán)局部的物質(zhì)密度達到形成恒星的臨界密度，因而觸發(fā)恒星形成。”對此，北京師范大學(xué)物理系劉遼教授也表示，由于“半人馬座A*”是一巨大的黑洞，它這一特殊的天體環(huán)境容易形成恒星。
挑戰：大質(zhì)量恒星有新“產(chǎn)床”
恒星在古代的天文學(xué)家眼中，在星空的位置是恒定的，因此給它起名“恒星”。其實(shí)它們在不停地高速運動(dòng)著(zhù)，比如太陽(yáng)就帶著(zhù)整個(gè)太陽(yáng)系在繞銀河系的中心運動(dòng)。
薛隨建向記者解釋了恒星產(chǎn)生的奧秘：“恒星誕生于由星際物質(zhì)凝聚而成的星際氣體云，它們一般分布在星系盤(pán)面附近，幾乎是一個(gè)自引力系統。如在我們的銀河系中的銀盤(pán)內，特別是在旋臂區域內，是大量氣體云集的地方。”此次，錢(qián)德拉望遠鏡對銀河系中心黑洞的觀(guān)測使天文學(xué)家推測，黑洞周?chē)沫h(huán)境，與一般恒星誕生的星云環(huán)境大不一樣。黑洞引力的影響，可能有助于構成恒星的物質(zhì)快速凝聚，因此新生恒星中各種星體的比例也不尋常，大質(zhì)量恒星的比例可能遠高于普通星云中誕生的恒星。
對此，薛隨建表示：由于黑洞附近的特殊環(huán)境，此處形成的恒星質(zhì)量分布關(guān)系與通常恒星肯定會(huì )有不同。“但如何能夠產(chǎn)生更多大質(zhì)量恒星的比例，據我所知，僅是定性推測，尚且缺乏具體定量計算的依據。不過(guò)，無(wú)論是哪種原因促使大質(zhì)量恒星誕生，此次新的天文觀(guān)測結果，都會(huì )讓研究恒星形成過(guò)程的科學(xué)家們得到一些新的啟發(fā)。”
■黑洞簡(jiǎn)史
黑洞，是時(shí)空的一個(gè)區域。這個(gè)區域內的引力極大，以至于任何東西，甚至光都不能從中逃逸出來(lái)。這曾是天文學(xué)上的共識。一旦有星體出現在黑洞附近，也往往被稱(chēng)為“逛入了一個(gè)錯誤的地帶。”因此，長(cháng)期以來(lái)“黑洞吞噬說(shuō)”便成為人類(lèi)解讀黑洞的一個(gè)突破口。
中國科學(xué)院理論物理研究所研究員張元仲告訴記者，黑洞吞噬說(shuō)幾乎是和黑洞的定義并存的。“黑洞并不能顧名思義地解釋為是個(gè)大黑窟窿。‘黑洞’是根據廣義相對論預言存在的天體，它憑著(zhù)自身的引力把包括光在內的空間中的一切‘禁閉’起來(lái)。”
張元仲進(jìn)一步解釋?zhuān)瑹o(wú)論是理論物理學(xué)還是天文學(xué)方面，對黑洞的認識都源自于它的吞噬性。黑洞的提出可以追溯到牛頓時(shí)代。當時(shí)拉普拉斯等人根據牛頓理論提出了黑洞的假設，后來(lái)愛(ài)因斯坦、霍金等都是黑洞學(xué)說(shuō)發(fā)展中標志性的人物。
1975年，物理學(xué)家霍金以數學(xué)計算的方法證明黑洞由于質(zhì)量巨大，進(jìn)入其邊界的物體都會(huì )被其吞噬而永遠無(wú)法逃逸。不過(guò)去年霍金公開(kāi)修正了他的學(xué)說(shuō)，認為黑洞并非只是吞噬物質(zhì)，也會(huì )把一些曾被它吸入的物質(zhì)信息向外界釋放。