每当我们把目光投向幽深的夜空,总会被那位优雅的「夜之女士」所吸引。无数星辰在闪烁着它们调皮的眼睛,围绕着一轮皎洁的月亮,场面宁静而美好。然而,在我们肉眼所能触及的远方,潜伏着无数「宇宙巨兽」,它们贪婪地吞噬着一切,包括光线,而这些庞然大物,正是黑洞。
如同人类一样,恒星也有着从诞生到死亡的生命历程,只不过它们能延续数百亿年。而黑洞,就是巨大恒星走向终点的产物。
科学家们认为,恒星的形成源自宇宙中的星云。以球体为喻,星际云可能横跨100光年之远,质量或许是太阳的600万倍,充满了氢和氦等元素。由于物质分布不均,在引力作用下,物质会汇聚成团,密度和压强都会随之增加。根据角动量守恒定律,物质在聚集中可能产生旋转。随着旋转速度加快,中心部分热量积累,温度随之上升。一旦温度达标,氢聚变为氦,从而诞生一颗恒星,我们称之为原恒星。
原恒星的质量决定了恒星的类别。我们以太阳质量为衡量标准:
如果原恒星质量不到太阳的0.08倍,它将因质量太小而不能启动氢聚变,未能形成恒星,如同未成熟的胎儿,科学家称之为褐矮星或棕矮星。
如果原恒星质量在0.08到0.5倍太阳质量之间,由于质量较小,其发光颜色偏红,被归为红矮星。红矮星寿命漫长,能持续几百亿年。
在0.5到8倍太阳质量之间的原恒星,发出的光呈黄色或黄白色,被归为黄矮星。太阳即为此类,寿命大约100亿年。
如果质量超过或等于8倍太阳质量,发出的光偏蓝,我们称之为蓝色大恒星。如90年代科学家通过哈勃望远镜发现的蓝色大恒星——手枪星,质量是太阳的100到150倍,寿命却只有300万年。
自诞生起,恒星核心便进行着核聚变,发出光并释放能量。恒星质量不同,核聚变的程度也不同。例如红矮星只能将氢聚变为氦,而质量更大的黄矮星可进一步将氦聚变为碳,蓝色大恒星能将碳继续聚变,直至形成铁。我们知道,核聚变释放巨大能量,但为何恒星未因之爆炸?答案在于引力与聚变的平衡:引力使得恒星内部的核聚变保持在可控状态,质量越大的恒星,引力越强。
随着能量的释放,恒星质量减少,引力减弱。最终,核聚变失去引力控制,变得剧烈,恒星步入「晚年」。
黄矮星在晚年期,核聚变失控,半径增大,如膨胀的气球,变成红巨星。例如太阳进入红巨星阶段时,其半径将增加至现在的100倍,地球将被熔化。人类若想生存,必须迁移到其他星球或将地球移至更远处,这正是刘慈欣【流浪地球】中的情节。
红巨星演变成白矮星,密度极高,如同把太阳压缩至地球大小。白矮星的能量耗尽后,将转变为黑矮星。据估计,从白矮星到黑矮星的演变极其漫长,可能需要数千亿年,这也是至今未发现黑矮星的原因。
不同质量的恒星,生命历程各异。红矮星会直接演变为白矮星,不经过红巨星阶段;蓝色大恒星则成为红超巨星。
红超巨星也有内核收缩、物质外抛的过程,与红巨星过渡为白矮星类似,但核聚变的复杂程度和物质抛洒方式有别。红超巨星最外层是氢聚变,内层可能是氦聚变,核心则是铁。收缩过程中,外层物质会向外喷发,形成超新星爆发,中心形成密度超过白矮星的中子星。中子星质量若超过太阳质量的3倍,引力作用将无止境地使其收缩,直至形成一个密度无限大、体积无限小的天体,其超高质量产生的引力扭曲时空,任何靠近的物质都会被吸入,光也无法逃脱,于是黑洞诞生。
实际上,在人类目睹黑洞之前,科学家已通过理论推断黑洞的存在。
1916年,爱因斯坦提出广义相对论,卡尔·史瓦西同年通过求解引力场方程,发现了可能存在这样一种天体,它周围的时空「视界」,一旦跨越,便无法逃离,即使是光。美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒将这种天体命名为「黑洞」。史蒂芬·霍金对黑洞的进一步研究,使我们得以了解这种神秘天体。
关于人类是否能通过黑洞实现时空穿越,我们必须先了解黑洞的物理特性。
首先,黑洞质量极大,引力强大到连光都无法逃脱。其次,黑洞可导致时空弯曲。黑洞周围存在「视界」,光在视界外有机会逃离,一旦进入视界,则被吸入黑洞。如果一人A在视界外朝视界运动,远处的观察者B会看到A越来越慢,直至静止,这是引力引起的时空弯曲。在黑洞中心,时间会变得非常慢。
如果A穿越到黑洞中心,剧烈的时空弯曲会导致时空互换。在我们生活的世界,时间是单向的,不能回到过去;空间是双向的,我们可以前后移动。但在黑洞中心,时间是双向的,空间是单向的,意味着A可以回到过去,但空间上只能走向中心的「奇点」。最终,A在进入中心前,会被引力撕裂而死。
通过黑洞穿越时空,这在理论上是可能的,但以目前的科技,人类无法抵御巨大引力,安全将人送到黑洞中心。我们对黑洞的认知仅是冰山一角,直到2019年才得到黑洞的第一张照片。霍金先生在2018年去世,未能亲眼目睹这张具有历史意义的照片。然而,我相信未来将会有更多像史蒂芬·霍金这样的科学家,带领我们探索宇宙的奥秘。