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5 当停止（第2页）

中子星也可以形成恒星黑洞。当它们达到临界质量时，可以通过吸收与它们在双星系统中相互作用的普通恒星的物质，或者与其他中子星融合，形成恒星黑洞。

我们无法“目睹”这些现象，“看到”黑洞的唯一希望来自寻找普通恒星的反常行为。如果恒星与某个黑洞相互作用，它就会有非常奇怪的轨道，或者表现出形变的迹象。寻找恒星黑洞最有效的技巧之一，就是寻找发射X射线的双星系统。

当两个天体非常靠近，以至相互之间的引力让它们围绕着共同的质量中心运动时，就形成了一个双星系统。如果二者之一是一个黑洞，那它强大的引力就会从另一颗恒星上吸走大量电离气体。这些被吸出来的等离子体形成一个长长的条带，落向黑洞，并在越来越近的距离上绕着黑洞运行。

黑洞周围形成的这样一个巨大的电离物质圈，被称为“吸积盘”。因为角动量守恒，所以越靠近引力中心，速度就越大。从恒星上撕裂下来的等离子经历了灾难性的冲撞，并卷入湍流现象。这些电离气体以极高的速度旋转，产生了巨大的磁场，磁场又与这些冲向奇点的物质发生无序的相互作用。等离子体被加热到几千万摄氏度的温度，并放射出各个波长的光子。由于吸积盘释放出强烈的高能光子流，黑洞就变成了宇宙中的X射线源。如果双星系统中有一颗星可见，另一颗星不可见又发射着X射线，那这个双星系统就很可能包含一个恒星黑洞。

我们还曾观测到某些黑洞从两极喷射物质，形成对称的巨大羽冠。物质以接近光速的速度被抛出，射程极远，它们又会产生高能电磁辐射暴或带电粒子喷涌。

吸积盘和两极的近光速喷射让黑洞周围的区域全都变成了地狱一般的场所。恒星黑洞是非常危险的物体，它们能撕碎附近的任何天体，当吸积盘物质被吸到视界附近时，潮汐力会将一切撕得粉碎。

物体两端受到的引力差即为潮汐力。之所以叫“潮汐力”，是因为潮汐就是由月球对地球远近两面的引力大小不同而产生的。正是这种引力差导致了海平面周期性的涨落。潮汐力对地球的岩层也有作用，只不过效果不明显。在恒星黑洞中，潮汐力在距离视界几千千米时就非常大。重达几十个太阳质量的致密天体可以远远地粉碎靠近它的任何东西，不管是几千米宽的岩石小行星还是载着数位勇敢探索者的宇宙飞船。当潮汐力远超过物质的内聚力时，一切都将变形、拉伸、碎裂，最终化为基本粒子组成的“浮云”。因此，远在你到达视界之前，恒星黑洞周围的区域就已经对你非常危险了，所以最好还是不要为了看一看去靠近它。

到目前为止，在我们的银河系已发现约15个恒星黑洞，最小的是太阳的5倍重，最大的可达到70个太阳质量以上的质量。恒星黑洞这类天体相对少见，但仍大量存在于所有星系中，包括我们所处的银河系。最新的估计是，大约有上亿个黑洞在银河系游**。

上文已介绍过如何通过记录碰撞最后阶段发出的引力波来识别相互融合的恒星黑洞。这几年来，我们又有了探测和发现黑洞的新设备——引力波干涉测量术已经使我们能够识别出十几对恒星黑洞，不过对于这个领域我们只是刚刚起步。

引力天文学将使我们能够绘制出新的星图，或许还能发现恒星黑洞隐藏在视界之后的某些性质。在碰撞中，黑洞被撕裂，上一刻还困在视界内部的能量被释放出来，并传向全宇宙。那道界限藏起了时间停止的可怕之所，但也许不久之后，引力波就会帮助我们弄清视界之后发生的事情。

恐怖之最

如果恒星黑洞已经令你震惊，那接下来请你坐稳，因为我们要来看真正的恐怖之最了：超大质量黑洞。它是真正的怪物，任何一个头脑正常的人都不会想靠近它。它的表现让恒星黑洞造成的灾难看起来就像过家家。恒星黑洞是直径几十千米的致密小球体，而超大质量黑洞的直径则可达几十亿千米，真正是整个宇宙中最大的天体。某些超大质量黑洞甚至可以轻松包裹住整个太阳系。恒星黑洞最重可达100个太阳质量，而超大质量黑洞的质量则要以百万甚至十亿太阳质量计。

因为证明了人马座A*是位于银河系中心的一个超大质量黑洞，天文学家安德烈娅·盖兹和赖因哈德·根策尔与罗杰·彭罗斯共同获得了2020年诺贝尔物理学奖。这个黑洞的质量达到四百多万个太阳质量，和所有黑洞一样，它也无法被直接观察到。起初，这两位天文学家以为它只是一个普通的致密宇宙射电源，但通过观察附近恒星的奇怪轨道，他们推测这可能是一个巨型黑洞。事实上，它周围的一些恒星运动速度极快，超过2万千米秒，其运行轨道也非常扁。很少有恒星能以7%的光速运动，如果轨道也非常怪异，那就表示约束它们的中心有着巨大的引力。后来，他们又发现有大量气体云以13光速，即10万千米秒的速度向着这个“虚无”移动，它似乎吸引着周围的一切东西。之后，两位天文学家又找到了吸积盘存在及X射线发射的迹象，这些都是黑洞吞噬大量物质时会产生的。最后，他们还观察到，围绕它旋转的恒星在穿过引力场最强烈的部分时，发出的光会失去能量。这下终于没有疑问了，人马座A*就是一个巨大的黑洞。原来，就连我们宁静的银河系也隐藏着最可怕、最狂躁的天体：超大质量黑洞。

我们现在已清楚地知道，每个大星系都围绕一个此类强大天体运动。一直让我们着迷的宇宙繁星以其周期性而规律的运动，塑造了我们的时间观，而它们自己竟围绕着不存在时间的点旋转，这简直就是命运的玩笑——时间的旋转木马围绕不存在时间的中心亘古不变地转了一圈又一圈。

人马座A*的质量当然非常大，但与它的某些同类相比也是小巫见大巫。室女座NGC-4261星系中心的黑洞就重达10亿个太阳质量以上，不过最高纪录的绝对保持者现在还是J2157，它有340亿个太阳质量。在质量可媲美一整个中小型星系的黑洞面前，人马座A*看起来就像是一个玩具。

这些“怪兽”天体都是通过研究活跃星系核发现的，所谓“活跃星系核”，是指星系中心发出电磁波谱高亮度的致密小区域。目前已发现多种活跃星系核，它们活动各异，有一些是放射性极强的射电源，有一些以近光速的速度喷射物质，还有一些则爆发出强烈的X射线或伽马射线。这些现象都源于同一过程：物质掉进中央的超大质量黑洞。所有爆发出的这些，都是恒星被中央黑洞粉碎后落向深渊时会放出的能量。在万籁俱寂的宇宙中，超大质量黑洞的各种活动产生了一系列无休无止的灾难，那是我们从未见识过的超级灾难，足以毁灭数十亿颗恒星。

M87*是离我们最近的超巨星。它位于室女座M87椭圆星系的中心，距我们约5350万光年。其质量据估计在60亿个太阳质量以上，对应的视界有380亿千米。它庞大到可以轻易囊括整个太阳系（包括最近被降级为矮行星的冥王星及其偏心轨道在内）。M87*之所以出名，是因为“事件视界望远镜”计划（EventHorizonTelescope，缩写为EHT）的天文学家联合起来用几十个射电望远镜成功构建出它的图像。这张图传遍了全世界，人们可以从中清晰地看见环绕它的吸积盘，以及中间那巨型的视界。

关于这类庞大天体的形成有很多种理论，但似乎都没有对它们的大小做出令人信服的解释。我们知道，一旦黑洞占据了星系中心，它就会无节制地增长，慢慢吞噬掉周围的一切。但我们也在一些年轻星系的中心观察到了巨型黑洞。有人认为是因为大爆炸后几秒形成了原初黑洞，甚至猜测原子大小的微观物体容纳了珠穆朗玛峰的质量，可能是由于宇宙初生时强烈的密度涨落造成小物体的引力坍缩。它们互相融合，质量越来越大，于是没有消散解体。另一些理论认为，浩瀚的原初星云聚合成了类星体，这些高度不稳定的天体最后坍缩成了巨大的黑洞，而不是进化成普通的恒星。

超大质量黑洞唯一的优势是视界处的潮汐力很弱。显然，超巨大的体型让它们在表面上没有“小弟”恒星黑洞那么凶猛。超大质量黑洞的平均密度非常低，而且质量越大密度越低。

10亿个太阳质量的超大质量黑洞平均密度仅和水相当，更大质量的黑洞的密度则可能和空气一样。这就导致潮汐力很小，在视界处几乎不存在，只有在接近中心奇点时才会变得显著。考虑到超大质量黑洞尺寸巨大，因此即使越过视界，潮汐力可能也要很久才能达到中心奇点。总之，对于超大质量黑洞，人们不仅可以在某些条件下穿过视界而不被撕碎，甚至可能根本意识不到已越过了视界而继续航行许久。

霍金的赌局

文学作品中让时间停止的总是魔鬼。在德国最重要的浪漫主义文学作品——歌德的《浮士德》中，主角浮士德博士就与魔鬼墨菲斯特定下了以灵魂换时间的契约。而奥斯卡·王尔德小说中的主人公道林·格雷（3）梦想着青春永驻，结果却也是在地狱中沉沦。

黑洞周围地狱般的环境似乎印证了这一古老的偏见。引力让时间停止，让时空扭曲到失去意义。围绕视界的火圈让人联想起那些古老的场景、那种可怕而隐秘的地方：比如吃小孩的摩洛克统治的火焰之地欣嫩子谷，又比如蛇发女妖美杜莎看守的冥界，谁胆敢来犯，她用眼神就能让他石化（4）。

巨大的“围墙”环绕着恐怖之地，隐藏起时间停止的区域，也隐藏起我们寻找多年的科学秘密。能够找出适用于时空奇点附近的物理规律是无数科学家的梦想。但直接去探索视界之内的区域听起来是一个近乎疯狂的梦想，因为谁都知道这样的旅程是不可能实现的，就算实现了也是有去无回。但是想象一下却无妨，所以，现在我们就要开始以想象做物理规律不允许的事。

乐天风趣的斯蒂芬·霍金喜欢与朋友和同事打赌。他曾和超对称理论物理学家戈登·凯恩赌100美元，说希格斯粒子永远不会被发现。2012年，我们发现希格斯玻色子之后，他心甘情愿地付了赌注，还说其实很高兴自己赌输了。1974年，本着同样略带挑衅的精神，他和基普·索恩打赌，说当时最有可能被确认为黑洞的X射线源天鹅座X-1与他的主攻方向毫无关系。要理解霍金当时的想法，不妨看看他多年后说的话：“和基普打赌其实是一种保险。我对黑洞做了那么多研究，如果最后发现它们不存在，那真是大大浪费时间，但那样我就赌赢了，可以订阅四年的《私探》杂志（PrivateEye），也算是一种安慰。”1990年，当有数据证实天鹅座X-1是一颗恒星和一个黑洞组成的双星系统时，霍金开心地向索恩支付了赌注：杂志《阁楼》一年期的订阅。

秉承这种精神，我乐于想象他们之间打的另外一个赌。因发现引力波而获得诺贝尔奖的基普·索恩和霍金一样，也是黑洞存在的最坚定支持者，因此，我们可以想象这两位朋友在探索黑洞这一危险的事情上赌了一把。

他们首先要选择一个超大质量黑洞。旅程当然还是很危险的，肯定一去不复返，但如果选恒星黑洞，那穿越视界的可能性就直接为零。两人最后选了M87*，它已闻名全世界，它的照片登上了世界各地的杂志封面。

想象一下，有两艘一模一样的宇宙飞船，一艘由霍金指挥，他选择在安全距离上围绕M87*运动。一艘由索恩指挥，他更勇敢，打赌说能穿越视界，一窥里面的情况。

因为是想象，所以可以忽略一些“细节”。比如两艘飞船如何走过了分隔我们和M87星系的五千多万光年，又是怎么毫发无伤地穿过了M87*吸积盘的地狱之境——这些都是早在到达视界之前就要面对的。不过我们不管这些，只关注最基本的问题。

两艘飞船通过无线电联系，索恩那边每秒发出一声“哔”。与视界接触的时间预计在午夜。23时59分57秒之前，霍金那边都能规律地收到每秒一次的“哔”声。但之后就变了，23时59分58秒的“哔”声似乎晚了一点儿，23时59分59秒的“哔”声则在一个小时之后才到，而且严重失真。再然后，信号就彻底消失了。索恩已穿越视界。霍金知道自己赌输了，现在他永远也等不到00时00分00秒的那一声提示音了。

不过，在索恩的飞船上并没有人察觉这一变化，穿越视界只是一瞬间的事，一切似乎都照常进行，哪怕最终的命运已经注定。在距离奇点那么远的地方，M87*的潮汐力是难以察觉的，没有人发现有什么异常。地球宇宙飞船穿越视界的历史时刻就这样毫无波澜地过去了。索恩和船员们打开香槟庆祝，尽管他们的眼神中隐约有着一丝不安。他们知道这将是一段漫长的旅程，但他们的命运已经注定。当飞船接近聚集了所有质量的奇点时，没有什么能阻止引力将飞船和船员们撕得粉碎。对外部观察者来说，飞船的时间停止了，但飞船上的人都不会有感觉。他们只有在有机会回头时才能意识到所发生的一切，才会看到越过视界对他们来说只是一瞬间，对宇宙其他地方来说却是永远，不过，他们也很清楚这是不可能的。

现在，索恩无可挽回地走向那时间终结之处。旅程可能还会持续很久，但在黑洞中的坠落无法逆转。潮汐力会逐渐增强，直到撕碎一切，甚至连夸克都显得巨大。被引力撕碎的物质会失去实体，变成纯粹的几何形状，没有时间和空间，却包含着巨大的能量。

如果霍金的飞船上载着一架大型望远镜，能跟踪索恩的飞船，那他看到的就是飞船逐渐慢下来，最终停在视界的黑暗边缘一动不动，它发出的微光越来越红、越来越暗，好像被冻住了一样，直到彻底消失不见。

反过来，如果索恩能回头看霍金的飞船，那他看到的就是飞船越来越蓝，速度猛增，但也只在极短的一瞬间。一旦越过视界，外面发生的一切都不再可知，这个界限彻底分隔出两个世界。索恩向着黑洞中心没有时间的地方靠近，也许他会说出浮士德最终要履约时对墨菲斯特说的那句话：“假如我对那飞过的一瞬说：‘停留吧，你那么美！’”但现在就连歌德的美文也无法控制脱缰的引力。

（1）。?疑有误，或为1915年，下文也说到史瓦西在1916年初就病逝了。——译注

（2）。?不转动+完美球形，为简化研究假想出来的理想化模型，不转动则无角动量，标准球形方便计算。——译注

（3）。?即奥斯卡·王尔德的小说《道林·格雷的画像》（1890年）的主人公。为了使自己青春永驻，格雷将真实年龄转移到自己的肖像画上。年复一年，这幅肖像画上的人因承载了格雷的年龄和他犯下的罪行而衰老不堪，格雷则凭此青春常在，始终年轻迷人。

（4）。?这里的火圈是指吸积盘，这一段是想塑造一种不可逾越的禁地之感，后面用的比方一个出自《圣经》，一个出自希腊神话，都是去不得、去了即死的地方。——译注