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质量非常大的恒星最终会变为黑洞？

现在，不论天文学家还是物理学家都认为质量非常大的恒星最终会演变为黑洞。他们为什么会有这种看法呢？

关于恒星演化的理论认为，像太阳这样的恒星，依据质量的不同，到“晚年”有不同的命运，最终会演变为一颗白矮星或者一颗中子星等。白矮星是质量和太阳差不太多的恒星的归宿，不发光，体积只有地球大小，却集中了同太阳差不多的质量。1931年，有人从理论上证明，白矮星的质量有一个上限，不可能有质量更大的白矮星存在。到1939年，通过理论分析又得到一个结论：体积比白矮星小而质量更大的中子星的质量也有一个上限，质量超过这个上限的恒星最终会演变为一个黑洞。

图. 形成黑洞的条件之一：巨大的质量

根据理论推测，巨大的质量被挤压在一个非常小的区域（小体积）内，物质处于一种高密度的极端状态，就会形成一个黑洞。理论和观测都表明，同样也很小的“白矮星”和“中子星”这两种恒星各自都有一个质量上限。它们的质量一旦超过各自质量的上限，各自的自身引力就会压倒支撑它维持一定形状的那种力而使之继续坍缩。

白矮星具有地球大小的体积，其质量上限为太阳质量的约1.4倍（图解的上图）。超过这个质量的恒星只能以半径为大约10公里的中子星的形式存在。中子星的质量最多能够达到太阳质量的约3倍，超过这个质量便只能是黑洞（图解的下图）。例如，天鹅座X-1的质量估计至少应是太阳质量的9倍。天体的质量可以根据它周围其他天体的轨道和运动方式推算出来。

发现了只能承认也许是黑洞的天体

20世纪60年代后期以后，陆续发现的一些天文观测事实似乎表明现实的宇宙中也许真的有黑洞存在。换句话说，发现了许多看似普通的恒星，然而却又难以把它们解释为是恒星的天体。

例如那些主要是发出强烈X射线的天体就是如此。X射线是肉眼看不见的一种光（电磁波），而科学家知道，高达数千万度的高温物体才会发出大量X射线。普通恒星不会有如此高的温度，因而很难认为那些发出强烈X射线的天体会是普通恒星。不是恒星又会是别的什么呢？于是只能认为它们是黑洞。

很可能是黑洞的一个典型例子是“天鹅座X-1”。用可见光观测，天鹅座X-1看起来像是一颗蓝色恒星。其实，天鹅座X-1是由一对天体所形成的一个双星系统，其中一个是蓝色恒星，另一个则是发出强X射线，用可见光看不见的天体。这个发出X射线的天体，通过推算，它的质量至少要达到太阳质量的9倍左右，这不仅超过了白矮星的质量上限，也超过了中子星的质量上限。

不仅如此，天鹅座X-1发出的X射线还在短时间里一会儿变强，一会儿变弱。根据X射线的这种强弱变化可以推算出发出射线的天体的大小的上限。推算结果是天鹅座X-1竟然非常小，大小不会超过数百公里。知道了天鹅座X-1是在一个非常小的区域集中了非常大的质量的天体，科学家才认定它多半是一个黑洞。

构建描述黑洞的模型

黑洞既然是连光也要吞噬的一种天体，它又如何能够发出强烈辐射呢？原来，这是黑洞周围的那些气体所发出的光。说明这种发光机制的黑洞模型是在黑洞的周围有一个“吸积盘”。

吸积盘是黑洞从附近的另一颗恒星（伴星）不断吸来气体而形成的一个围绕着黑洞做快速旋转的圆盘。在旋转过程中，吸积盘内的气体发生剧烈摩擦，产生高温而向外发光。如果黑洞将吸引过来的气体全都立即吞入，在它周围就不会积留下多少气体，因而不会发出太强的光。但是，如果形成一个围绕着它快速旋转的圆盘，吸引过来的气体就会积留起来达到很高的密度，从而发出强光。

本来是作为理论计算结果的黑洞，正是通过以上分析才被看成有可能是现实存在的一种天体。不过，黑洞毕竟是为了圆满说明某些观测事实而在理论上认定的一种存在，直到现在也还没有获得能够直接证明黑洞确实存在的观测证据。

（本文发表于《科学世界》2012年第8期）