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第7章 太空中的洞黑洞（第1页）

第7章太空中的洞——黑洞

之所以把黑洞看成怪物，主要是因为其内部包含一个奇点。当恒星无法抵御引力坍缩而形成黑洞时，最终会被挤压成密度无穷大、体积无限小的点。这种奇点标志着空间和时间的崩溃——实际上是物理学本身的崩溃。

自然界的黑洞是宇宙中最完美的宏观物体：构成它们的唯一要素是我们对空间和时间的观念。

——苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyandrasekhar）

黑洞是上帝除以零的地方。

——史蒂文·赖特（StevenWright）

1971年秋，东萨塞克斯郡赫斯特蒙塞

在英国一座建于15世纪的城堡的八角屋里，两位天文学家坐在桌旁，研究着令人费解的观测资料。有一颗蓝色的恒星似乎正在绕着一颗并不存在的天体运行，这太不正常了。

1971年夏天，保罗·默丁（PaulMurdin）结束了在美国7年的工作，回国后，在位于赫斯特蒙塞城堡（Herstmole）的格林尼治天文台（theRoyalGreeO）工作，到入秋这段时间，他一直和露易丝·韦伯斯特（LouiseWebster）共用一间办公室。房间很大，但木门很矮，韦伯斯特进出时不得不低头。城堡刚建成时，房间墙上只有几条裂缝能透进一丝丝光线，后来开了一扇大窗户，先前住在这里的人在窗户旁边的墙上记录着雨燕每年回到城堡的日期，透过窗户可以看到周围令人心旷神怡的秀丽景色。护城河之外，牧场上有几只鹅正在悠闲地吃草。

这两位天文学家仔细研究的是一颗名为HDE226868的恒星。HDE是指《亨利·德雷珀扩充星表》（Heension），是由哈佛大学的一小群女天文学家在1925—1936年编制的恒星目录。由于美国业余天文学家兼医生亨利·德雷珀（HenryDraper）的遗孀资助了这个项目，因此，星表以亨利·德雷珀的名字命名。默丁第一次了解HDE226868是在纽约州的罗切斯特大学（theUyofRochester），他在那里完成了博士研究之后，又做了几个短期的博士后的工作。

早在学生时代，默丁就意识到，天文研究中的头等大事就是要找到一些值得研究的东西。正如英国幽默作家道格拉斯·亚当斯（DouglasAdams）所说：“太空太宽广了。你根本没法儿相信它广袤无垠、漫无边际、令人瞠目结舌的宽广到了什么程度。我的意思是，你可能会觉得走去药店的路就已经很远了，但那对太空来说，这简直就是沧海一粟。”[118]太空中大约有2万亿个星系，其中许多星系都拥有数千亿颗恒星。要想从中找到一个能成就大事的天体，无异于在地球上所有海滩的普通沙砾中找到特别的一粒。

默丁意识到，他需要的是一些可能会显示出某种不寻常事情正在发生的信号。在罗切斯特大学时，他经常与其他研究生一起辩论，什么样的信号符合这样的条件：射电波是一种可能性，但默丁对于新颖的东西很敏锐，他锁定了最新、最有前途的信号——X射线。

X射线是一种高能量的光，由被加热到数十万甚至数百万摄氏度的物质发出。地球的大气层屏蔽了来自太空的X射线，尽管对于地球上的生命来说，这是一种幸运，但对天文学家来说却是不幸的。不管怎样，在20世纪50年代末、60年代初，意大利裔美国物理学家里卡多·贾科尼（RiccardoGiai）建造了人类第一台简陋的X射线望远镜。为克服地球大气层的遮挡，1962年，贾科尼和同事们用探空火箭把这台望远镜发射到了大气层的顶层，在火箭下落之前完成了观测。这次对宇宙X射线的短暂一瞥，揭示了许多宇宙X射线的发射源，其中就包括天鹅座X-1（usX-1），那是太空中发射X射线最强的天体之一。

不幸的是，早期的X射线望远镜过于简陋，只能将宇宙射线源的位置定位到“在某个星座中”。就天鹅座X-1来说，只能定位在那个以天鹅命名的星座范围内。没有人知道发出X射线的恒星到底是什么样子，所以现在需要找出点不合规律的东西。起初，要搜索的天空面积太大，让人感到绝望。但是随着X射线望远镜技术的提高，直到1970年，情况得到了改善。默丁注意到，天鹅座X-1可能存在位置的箱状区域中有一颗远比其他恒星亮得多的恒星（HDE226868），但似乎它没有更多的特别之处。

这一次，默丁返回英国，就职于东萨塞克斯郡赫斯特蒙塞的格林尼治天文台，依旧是短期职位。那时，美国航空航天局发射的一颗卫星首次搭载了一个灵敏的X射线天文望远镜。乌呼鲁（Uhuru）卫星确定了大量的X射线源天体，默丁得到了目录的预印本。那个确定天鹅座X-1位置的箱状区域因而缩小了很多，现在大约只有满月直径的13。重要的是，这块箱状区域里面仍然包含HDE226868。“那颗星还在摇旗呐喊：‘看看我吧!我真的很有趣!’”默丁说。

能和韦伯斯特在一个办公室工作，真是默丁的运气，否则他的研究不见得能成功。当时默丁还不到30岁，韦伯斯特只比他大一点。这位澳大利亚人正在和格林尼治天文台的台长理查德·伍利（RichardWoolley）合作研究银河系中恒星的运动情况。[119]

默丁并不认为蓝色恒星HDE226868本身就是神秘的X射线源，他和韦伯斯特研究过这颗恒星的星光，看不出有什么特别。[120]不管怎样，那时人们猜测，这种X射线可能是由恒星的一颗小体积、超高密度的伴星吸积恒星上的物质时发出的。当恒星上的物质旋转着落向伴星（像水旋转着流入排水孔）时，在吸积盘（adisk）中发生剧烈摩擦，使物质变得极热，从而发出X射线。因此，默丁心中的疑问是：HDE226868是否也有一颗这样的伴星呢？

如果这颗蓝色恒星的速度不断变化，比如它的速度变化表明它先是接近地球，然后再逐渐远离，那就说明它正在绕另一颗恒星旋转。要想弄清这颗恒星的速度是否真的在改变，默丁甚至不必做任何工作，因为当时韦伯斯特和她的团队正在做的就是测量恒星的速度。默丁只要将HDE226868的天体坐标写在一张纸上，然后交给韦伯斯特即可。

韦伯斯特使用的是100英寸（约2。54米）的巨型艾萨克·牛顿望远镜（IsaaTelescope）。好笑的是，最初这台望远镜竟然建在终年云雾缭绕、雨水丰沛的赫斯特蒙塞〔1979年，在花费了比建造时更高的成本后，该望远镜被移至加那利群岛拉帕尔玛岛的穆查丘斯罗克天文台（theRoquedelosMuchachosObservatory）〕。事实证明，这对默丁来说是另一个好运。世界上最好的天文台通常位于海拔高、气候干燥、视野非常好的地方，致力拍摄宇宙中那些非常暗弱、极其遥远的天体。而在赫斯特蒙塞，只能将注意力集中在那些更明亮的、即使在朦胧的天空中也可以“看见”的天体上，而HDE226868正是这样一颗恒星。

韦伯斯特正在使用超灵敏的光谱仪拍摄恒星的光谱。恒星的光谱记录的是恒星发出的不同颜色或频率的光的亮度。光的频率就像声音的音调一样：当恒星向我们靠近时，光的频率就会变高；而当恒星离我们越来越远时，光的频率就会变低。这与警笛声音的传播相似，警笛在接近你时，声音变得尖锐；在远离你时，声音变得低沉。这种现象被称为多普勒效应。

幸运的是，大自然中每种原子发出的光都有一组像指纹一样的特征频率。要探测恒星相对观测者的运动方向，只需要在恒星的光谱中辨识出一组某种原子的特征光谱，然后与该原子的地球实验室光谱进行比较，看看频率移动的情况即可。

韦伯斯特团队拍摄了6个HDE226868的光谱。令人失望的是，6个光谱中只有1个显示出这颗恒星有运动的迹象。前景并不乐观。默丁开始对蓝色恒星失去兴趣了。但是，他不是那种半途而废的人，并且那个孤单的频谱也提供了某种信息，他决定让韦伯斯特继续观察这颗恒星。

韦伯斯特如期拍摄到了另外一组光谱。当他们看到光谱时，默丁惊讶地发现，这组光谱图都显示出了运动的迹象。很明显，HDE226868的确处在环绕另一颗恒星运动的轨道上。默丁使用的是原始的机械式计算器，计算时还需要摇动手柄，他算出HDE226868每5。6天转一圈。

从默丁推断出的轨道中，可以找到韦伯斯特的第1批光谱几乎没有运动迹象的原因，多普勒频移只能显示恒星朝向地球和远离地球的运动。但第1批光谱中出了点小意外，有5个光谱在拍摄时，HDE226868恰好运动到了与观测方向垂直的轨道上，那时HDE226868几乎是既不向我们靠近，也没离我们而去。

事后来看，第1批中那个唯一能提供运动结果的光谱是错误的，引发错误的是某种永远无法追查的仪器问题。但这是默丁的又一个好运。如果没有第6个光谱不正常的显示，默丁就不会让韦伯斯特继续观察，也就不会发现HDE226868的伴星了。

当默丁和韦伯斯特坐在桌子旁，拿着最新的数据进行分析时，他注意到了看不见的伴星的质量。通过现有的HDE226868的多个光谱，两位天文学家得知这颗恒星极年轻、极灼热、极明亮，发出的光大约是太阳的40万倍。在1971年，一般人们认为像这样的O型蓝超巨星（Bluesupergiantstars）的平均质量大约是20个太阳质量。根据这颗恒星的质量估算值和5。6天的轨道周期，可以确定其伴星的质量。不过这个质量并不精确，因为从地球角度看到的是HDE226868的轨道在天空中的二维投影，而轨道在实际三维空间中的真实形状是未知的，所以只能说伴星质量比某个最小质量大。

默丁和韦伯斯特分工协作进行计算工作。默丁去走廊50米处的图书馆查阅参考书，反复检查推算未知伴星质量的公式是否正确，公式比较复杂，他要确保自己没有记错。

两位天文学家的讨论只持续了1个小时，他们就得出了确定的结论。伴星的质量至少是太阳的4倍，说不定有6倍。[121]

当时已发现的致密星体只有白矮星（whitedwarf）和中子星，并且，距离中子星的发现仅仅过去了4年。当时剑桥大学的研究生乔瑟琳·贝尔（JoBell）以脉冲星（pulsar）的名义发现了中子星。但理论上，这两种天体的质量都不应大于2个太阳质量。这样一来，有资格作为候选对象的天体，从理论上讲，就只有一种了。韦伯斯特和默丁面面相觑，韦伯斯特一如既往地镇静自若，而默丁却难以抑制自己的激动，二人都想到了一种骇人听闻的、如噩梦般的天体。早在半个多世纪前，这种天体的存在就被一个躺在野战医院病**的人预测到了……

1916年冬，东线战场

枪炮声将卡尔·史瓦西（KarlSchwarzschild）从睡梦中惊醒。冬日的阳光透过薄薄的窗帘照射进来，让他眯起了眼睛。史瓦西感觉到骨头深处在隐隐作痛，忍受着这样的疼痛和不适，他很难再次入睡。一时间，他感到情绪很低落，但他不能允许自己屈服于自怜，如果那样，就会遗忘某些东西，某些他必须全力追求的美好东西。恍惚间，史瓦西心中猛然一惊，害怕昨晚的努力只不过是一场梦，史瓦西急切地看了一眼床头柜。噢，谢天谢地，那篇他在凌晨撰写的论文就在床头柜上放着，一切都是真实的。仅用纸和笔，史瓦西就揭示出了宇宙的非凡之处：在太空中的某些地方可能存在着非常可怕的天体，那是一种如噩梦般的东西。

早上例行的清理工作既累人又耗时，护士们穿着缺乏生气的白大褂走进他的隔离室。她们亲切而温柔，帮他清理了一下覆盖了大部分身体的水疱，然后护士们让他坐在椅子上，换掉血迹斑斑的床单。然后给他端来软面包和热牛奶（尽管他更喜欢啤酒）。[122]他咀嚼着松软的面包——这是唯一不会使他那张布满水疱的嘴进一步发炎的食物——听着枪炮声，回忆着把他带到东部前线这家医院的一连串事件。