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08 黑洞和副产品 Black Holes and Spinoffs（第2页）

图23显示了银河系中的微类星体SS433的射电图像，它距离我们只有18000光年。等离子体喷流的结构投影到我们的天空平面上时，会呈现出醒目的之字形或螺旋形图案。组成喷流的各个等离子体火球，正分别以某个介于光速20％~30％之间的惊人速度运动。火球运动的方向按照一个固定的周期变化。实际上，喷流的发射轴的进动方式与在皮划艇参考系下看到的运动员划桨方式大致相同，只不过这一过程的时标是6个月而不是几秒钟。显然，至少在某些类星体中（见图21）也发生了相同的情况，不过如前文所述，它们的速度慢到我们无法对发生的变化进行恰当的时间采样。

喷流在天空中呈现之字形还是螺旋形直接取决于火球的物理运动方式，以及进行观测的具体时间。喷流的一个显著特征就是它们的对称性：东侧喷流部分的物理运动与西侧喷流部分等大且反向：当一个等离子体火球速度达到光速的28％时，在反向喷流中与之对应的部分速度也是这么大；而对于以22％的光速运动的另一个等离子火球，其反向喷流中与之对应的部分速度也会和它一样。实际上，如果一个喷流看起来具有之字形结构，而另一个喷射流看上去则是完全不同的螺旋形结构，这是由于喷流等离子体始终以与光速相当的速度运动，此种情况下会发生相对论性畸变。微类星体的辐射功率相对于系外类星体而言是很小的，但是与太阳微不足道的功率相比仍然非常巨大。太阳的总光度只有4×1026瓦，还不到图23中的微类星体辐射功率的十万分之一。

图23　微型类星体SS433在射电波段呈现

喷流的发射

室女座星系团是由1000多个星系构成的，距银河系只有5000万光年。它的中心是一个被称为M87[梅西耶87的缩写，列在法国天文学家查尔斯·梅西耶（CharlesMessier）制作的星表中]的巨大星系。该星系的核心是一个质量是太阳30亿倍的超大质量黑洞。从其中发出的是如图24所示的非常强的直线喷流。

图24　从M87星系中心的超大质量黑洞，以接近光速喷出等离子体喷流

这个喷流在光学波段、射电波段和X射线波段都很容易被看到。据认为，落入物质以每年2~3倍太阳质量的吸积率，到达第6章中描述的那种吸积盘正在发挥作用的核心区。这个喷流的发射点可能在吸积盘的最内部，其从发射点向外传播的速度非常接近光速，因此我们称之为相对论性喷流。利用我在第7章中介绍过的VLBA仪器进行连续监测，可知喷流速度非常接近光速，而位于地球大气层之外的哈勃空间望远镜和钱德拉X射线卫星，都比其位于地面上时具有更高的灵敏度。在距地球5000万光年的位置上，以光速运动的物体每年会在天空中移动4毫弧秒。如果我们考虑到一弧只有一度的13600弧度，那么它的四千分之一听起来会是一个小到几乎无法测量的角度，但是VLBA仪器能很容易分辨这么小的间隔。VLBA已经对这个喷流底部不到其超大质量黑洞30倍史瓦西半径的范围进行了成像。

图25显示了源于M87中超大质量黑洞的相对论性喷流的等离子体射电辐射的波瓣和羽流的示例。

图25　源于M87星系中心的超大质量黑洞所发出的相对论喷流的射电辐射波瓣

为了进一步说明膨胀的波瓣与相对论性喷流有关，图26展示了一个在天空中延伸了6度的示例，并呈现出了用于观测的望远镜阵列，以便让人能够感受其尺度。依拉娜·费恩（IlanaFeain）和她的同事使用的望远镜是澳大利亚望远镜致密阵列。

图26　月亮和澳大利亚望远镜致密阵列的光学照片与半人马座A的无线电图像的合成照片

相对论性喷流从黑洞附近发射的机制目前还只是推测，还不具有普适性。不过，来自世界各地的不同团队进行的各项独立研究中，绝大多数证据表明该理论的基本细节是正确的。除了宽泛的图像以外，这些机制及其详细功能还属于推测，只是在光子不足且具有选择效应的情况下被耐心检验过。证明不属于科学，但证据属于科学。我们之所以受到阻碍，是因为即使当今已部署的最先进的成像技术，也无法区分并识别释放了大部分能量的最小区域，不过，利用功能强大的计算机进行数值模拟，就可以突破当前技术的限制。最新发表的模拟结果表明，吸积盘发出的喷流完全可以由广义相对论效应进行解释。这些模拟将组分和公理作为已知输入，允许喷流和吸积盘演化到其特性可以与最新观测结果相匹配的尺度。

那么，我们现在对宇宙中黑洞的质量有哪些了解呢？看起来它们分为两个主要的类别。首先是那些质量与恒星类似的黑洞。这些恒星质量黑洞的质量是太阳质量的3~30倍，它们来自烧光了全部燃料的恒星。

然后就是超大质量黑洞，它们能达到约100亿太阳质量。正如我们已经讨论过的，它们存在于包括我们自己的银河系在内的星系中心，并且与活跃星系和类星体的种种奇特现象有关。

我们已经讨论过物体掉入黑洞，但当一个黑洞掉入另一个黑洞时会发生什么？这不是一个抽象的问题，因为人们已经知道可能存在双黑洞。在这样的天体中，两个黑洞会互相绕转。人们认为由于发出了引力辐射，双星中的黑洞将失去能量并以螺旋形向内互相绕转。在这种螺旋运动的最后阶段，广义相对论会达到临界点，两个黑洞突然合并为具有常规事件视界的单个黑洞。在一个双星系统中，两个超大质量黑洞合并所产生的能量是惊人的，有可能超过可见宇宙中所有恒星的所有光。它的大部分能量都被注入引力波，这些时空曲率的涟漪会以光速在整个宇宙中传播。对这种波存在证据的搜寻尚在进行。人们设想，当引力波经过像长杆一样的物质时，其波长会在时空曲率的涟漪穿过时随之上下波动。如果可以使用诸如激光干涉之类的技术来测量这些微小的波长变化，就能得到一种可以探测宇宙中其他地方产生的引力波的方法。目前已经建成，以及更多还在计划中的地基和天基引力波探测器，都可能探测到来自黑洞合并的信号。实际上，引力波非常难检测，需要非常强力的能量源才有机会进行此类实验，而在这些强力源的候选名单中，黑洞并合居于首位。在撰写本文时，尚未直接检测到引力波，但实验仍在进行[1]。

自1915年爱因斯坦提出广义相对论以来，我们最好的引力论已接受了无数次考验。事实证明，与被其替代的牛顿经典理论相比，广义相对论的实验具有更好的一致性。但如果要对广义相对论在极限状况下进行检验，那么你可以期待黑洞会成为现代物理学这一基石的终极测试地。此种情况下，引力在最小的空间区域中表现得最强，因此量子效应会很重要，而这正是广义相对论可能会崩溃的地方。不过，广义相对论也可能在宇宙中的大尺度上失效。当然，目前最热门的话题是广义相对论在解释宇宙最大尺度上的加速膨胀时的完备性。讨论广义相对论的偏差，可能会与加速膨胀和暗能量有关。如果探测到源自黑洞并合的引力波，或观测结果拓展了我们对发生在这些引人入胜的物体附近的基本物理学的理解，那我们就有机会见证爱因斯坦的理论是能够经受住检验的，还是需要用某些新理论来代替的。

我们为什么研究黑洞

研究黑洞的原因有很多，第一个原因是：它开启了对物理参数空间的探索，即使是国际财团的预算也无法独立胜任这一工作。黑洞系统代表了我们所能探索的极端环境，我们能借此研究极端情况下的物理学。它们将广义相对论和量子力学结合起来，但统一尚未实现，并且仍是物理学的前沿问题。第二个原因是，试图理解黑洞现象引起了科学家和许多有思想的外行人的兴趣，提供许多人被科学所激发的途径，鼓动人们去了解我们周围宇宙的伟大之处。第三个原因也许会令人惊讶，研究黑洞给了尘世一些副产品。对黑洞的研究怎么可能改变我们的生活？答案是这种事情已经发生了。当我将这本小书的最后几句话输入笔记本电脑时，它会同时通过802。11Wi-Fi协议将我的工作备份到我大学的服务器上。这项复杂而巧妙的技术源于在射电波段寻找爆发黑洞的某个特定特征时的研究。这项研究由罗恩·埃克斯（RonEkers）所领导的团队完成。他们想要检验马丁·里斯（MartinRees）（现在是皇家天文学家）提出的模型。在约翰·奥沙利文（JohnO'Sullivan）的带领下，来自澳大利亚心灵手巧的无线电工程师发明了一种干扰抑制算法，本来是想将它用于探测来自遥远空间的微弱信号这一棘手的工作，但他们随即意识到，这项技术还可以应用于地球上的通信传输。因此，黑洞有能力改写物理学，重新激发我们的想象力，甚至革新我们的技术。黑洞有许多副产品，它们都远远超出了其事件视界。

全书完

[1]　2016年2月11日激光干涉引力波天文台（LIGO）、处女座干涉仪（Virgo）研究团队共同发布结果：于2015年9月14日首次探测到引力波现象。