第一节宇宙中的超低音歌手——黑洞
1.黑洞概念的提出
1783年，英国人约翰·米歇尔第一个提出存在质量足够大并足够紧密的恒星。它的引力非常强大，以致连光线都不能逃逸。1795年，法国科学家皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯，把光速有限的认识与牛顿的逃逸速度概念结合起来，发现了引力的最富魅力的结果——黑洞，从而使他成为“黑洞之父”。一个多世纪之后，德国天文学家卡尔·史瓦西于1916年求解出爱因斯坦广义相对论方程的第一个严格解答。这个解答预示，宇宙中可能存在一类巨大天体，这种天体就是20世纪60年代后人们所称的“黑洞”。
2.黑洞的定义
黑洞是天文学名称，又称“坟星”，是恒星的坟墓。它是宇宙中最神秘的物体，之所以叫它黑洞，是因为它本身一片漆黑，不会发出任何可见光，无法看见它。尽管它曾经是宇宙中最明亮的物体，但它们在生命结束时的爆炸中，抛却了曾经明亮的外壳，只留下超压缩的内核。别小看这个内核，它的引力超级强大，以致光都不能从它那里逃逸，所以也就没人能够看到它。它不仅不可见，而且还能吞噬所有靠近它的物质。
3.黑洞的形成
黑洞的形成过程，非常具有传奇色彩，那么黑洞究竟是怎么形成的呢？其实，黑洞是恒星“死亡”后的产物。只要宇宙中存在大质量恒星，就有可能出现黑洞。当一颗恒星“爆炸”后，最后剩下的星核质量至少要比太阳大2倍时，黑洞就形成了。
通常，在恒星生命最后10%的时间里，它会变得越来越热，释放出越来越多的能量。同时由于自身质量过大，就会产生很大的引力，因此恒星自身的核聚变释放出的能量，正好平衡它自身的引力。但是，恒星在自身的能量用完后，这时就没有什么力与它自身的引力相抗衡，就导致了这类大质量的恒星本身的崩溃，产生彻底的坍缩。
但当恒星质量比较小时，坍缩就没有那么彻底了。
黑洞的产生过程，类似于中子星的产生过程：在自身巨大引力的作用下，恒星的核心迅速收缩，这会引起剧烈的强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时，收缩过程立即停止，恒星被压缩成一个密实的星球。但在黑洞产生的过程中，由于恒星的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子在巨大的引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下的是一个密度高到难以想象的物质。它表面的第二宇宙速度大到超过了光速，宇宙间没有物体的速度会超过光速，所以任何靠近它的物体，都会被它吸进去，无法出来，黑洞就变得像真空吸尘器一样。
这个过程也可以这样简单地理解：通常恒星最初只含氢元素，恒星内部的氢原子时刻都在相互碰撞，发生裂变、聚变。由于恒星质量很大，裂变与聚变产生的能量，与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。由于裂变与聚变，氢原子内部结构最终会发生改变、破裂，并组成新的元素——氦元素。接着，氦原子也参与裂变与聚变，改变自身的结构，生成新的锂元素。如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次生成铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等新元素的生成，直至铁元素，该恒星便会坍塌。这是由于铁元素相当稳定，不能参与裂变或聚变，而铁元素存在于恒星内部，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力相抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞。黑洞自身强大的引力，将它附近恒星的气流，高速地拉到自己身边来，就像一个无底的深渊，吞噬着四周的一切。这样，气体向黑洞不断聚集，在黑洞周围形成一个叫吸积盘的旋涡。
4.黑洞的生长
任何星球都有可能成为黑洞。我们怀疑大多数黑洞，是由于巨大恒星的死亡而产生，所以我们估计黑洞与恒星质量相当。相对于宇宙而言，黑洞很小，但黑洞的质量却很大，占据的空间也很大。
与太阳相等质量的黑洞，半径只有3000米，而太阳的半径却有70万千米。宇宙中可能存在质量相当于500亿个太阳的“巨大黑洞”，它们的质量会不断变大，但膨胀仍有一个限度。
大黑洞处于所有星系的核心，由“种子”开始，不断吞噬物质，经过岁月的磨砺，逐渐膨胀形成。迄今测量较为准确的最大黑洞，蛰伏于“梅西尔87”星系，质量相当于30亿个太阳，即便它是密度很大的黑洞，也堪称庞然大物——直径是我们太阳系的3倍。
通过对“钱德拉”X射线观测望远镜得到的最新数据进行研究，美国天文学家发现，在宇宙初期即宇宙大爆炸后不久，宇宙黑洞就聚合了大量的物质，迅速“出生”了，科学家称这个速度“快得令人难以置信”。科学家们发现一颗能吞进30亿个太阳的巨型黑洞，是迄今为止在宇宙中发现的最大黑洞。
此外，美国航天局还利用太空轨道上的“钱德拉”X射线天文望远镜，发现了一颗名为“SDSSPJ306”的巨大黑洞，位于距离我们地球26亿光年的MS0735星团。这个黑洞非常巨大，以致它的引力作用范围的大小与我们所在的银河系相当。在这个黑洞吞噬星团的同时，会将一些热气体以射流形式喷还给宇宙，形成了两个巨大洞穴，每个洞穴的直径大约为65万光年，是我们银河系的两倍。
5.星系中黑洞的质量
根据开普勒定律，气体的旋转速度，应与其围绕天体的质量的平方根成正比，与旋转半径的平方根成反比。如果能够确定旋转速度和半径，就能求出那个天体的质量，NGC4261旋转半径为300光年以内，质量约为太阳质量的20亿倍；M84星系旋转半径为30光年以内，质量约为太阳质量的3亿倍；M87星系旋转半径为15光年以内，质量约为太阳质量的30亿倍。计算结果，应当说是令人吃惊的！
10亿倍太阳质量的黑洞的半径，大约为10个天文单位，也就是1光年的万分之一。所以，哈勃太空望远镜的观测结果，与黑洞的半径相比较，还没有看清楚黑洞的外侧。
迄今为止，已知的X射线双星系统最亮者，达到太阳光度的100万倍程度，M82星系发现的X射线天体，在此基础上，又增高了10倍。由此估计，这个黑洞的质量，约为太阳的460倍到最大为1亿倍。总之，这个黑洞的质量，很可能远远超过了太阳。
6.类星体
20世纪60年代，天文学家在宇宙中发现了一种奇特的天体，从照片看很像恒星但肯定不是恒星，光谱似行星状星云但又不是星云，发出的射电（即无线电波）如星系却又不是星系，因此称它为“类星体”。类星体与宇宙微波背景辐射、脉冲星、星际分子并列为20世纪60年代天文学的四大发现。
类星体是一种光度极高、距离我们极远的奇异天体。作为宇宙中最明亮的天体，它比正常星系亮1000倍。
它们发出璀璨的光芒，使我们即使远在100亿光年之外，还能观测到它们。与直径大约为10万光年的星系相比，类星体的直径大约为1光天，作为能量如此大的物体，类星体却不可思议的小。
类星体由体积很小、质量很大的核和核外的广延气晕构成。核心辐射出巨大的能量，激发气晕中的气体，产生连续光谱上叠加的宽且强的发射线。多数天文学家相信，这种异常巨大的能量来源，是由中心的超巨质量黑洞吸积周围物质释放的引力能提供的。在黑洞的强大引力作用下，附近的尘埃、气体以及一部分恒星物质围绕在黑洞周围，形成了一个高速旋转的巨大吸积盘。在吸积盘内侧靠近黑洞视界的地方，物质掉入黑洞里，伴随着巨大的能量辐射，形成物质喷流。而强大的磁场又约束着这些物质喷流，使它们只能沿着磁轴的方向，通常是与吸积盘平面相垂直的方向高速喷出。如果这些喷流刚好对着观察者，就能观测到类星体。
普通情况下，一个类星体平均一年总共吞噬的物质质量，相当于1000个中等恒星质量的总和。一般情况下，这些类星体距离太阳系都非常遥远，当我们观测到它们时已经是亿万年以后的现在，这说明此类黑洞的活动出现在宇宙诞生初期。科学家推定，这种黑洞正是在成长壮大中的宇宙星系的前身，所以将其命名为“类星体”。
7.黑洞的作用
就像自然界中的分解者一样，黑洞在宇宙中所起的作用是，将所有靠近它的物质吸入后再分解掉，这样宇宙就周而复始地无限循环下去。我们可以把黑洞想象成一个巨大的“磨碎机”，它把吸入的物质磨碎。它的中心被称为“磨碎点”，也就是所谓的“奇点”。
在此“奇点”上，科学定律和我们预测未来的能力都会失效。
黑洞的边界被称为“视界”，这是一个有去无回的界面，只要跨过这一界面，就落入了黑洞的内部。不过，假设有人不幸掉进去，他首先看到的是被黑洞捕获的光线，而且这些光线呈螺旋状进入引力旋涡。
8.黑洞的内部构造
所有黑洞的基本结构一般都是相同的，中心的奇点部分被一个不可见的边界围着，我们称它为“视界”，任何东西一旦掉进视界里，就无法逃脱。视界的尺码叫史瓦西度半径。
由史瓦西度规描述球对称天体的引力场，史瓦西度规解出沿零短线运动的光线偏转角的解得到引力半径，又称为史瓦西度半径，它所处形成的球面叫做奇面。实际上，它是黑洞的表面，这个面又叫做无限红移面。在无穷远的观测者看来，离曲面越近的光源发出的光，频率变得越低，波长变得越长，也就是说，光谱线向红端移动得越厉害。
9.为什么看不见黑洞
既然我们知道宇宙中存在黑洞，那么我们为什么看不见黑洞的样子呢？在正常的空间里，光沿直线传播。但是根据广义相对论，在引力场作用下，空间会弯曲。这时候，虽然光仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力，把它拉得偏离了原来的方向。在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲微乎其微。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。黑洞背后的恒星向我们地球发出的光虽然有一部分光会落入黑洞中消失，可另一部分光线还是会通过弯曲的空间，绕过黑洞到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是所谓黑洞的“隐身术”。所以，我们很难看见神秘黑洞的真实面目。
10.如何“寻找”黑洞
黑洞是宇宙中一种不会旋转、不带电、呈球对称的星体。寻觅黑洞已经成了天文学家梦寐以求的事情。既然黑洞黑得连光线都无法从它表面逃脱，又怎样去发现它呢？天文学家自有妙招，一个重要的方法就是X射线源辨认法。Ｘ射线是人们胸透时所用的射线，尽管人眼看不到，但用仪器可以探测出来。有些人造卫星携带探测Ｘ射线的设备，这种设备其中的一个任务就是寻找黑洞的Ｘ射线源。
至今已发现了许多这种Ｘ射线源，其中在牛郎星和织女星之间，被称为天鹅座的一个射线源最有可能是黑洞。
尽管落向黑洞的物质（包括光）会泥牛入海、一去不返，但落向黑洞的气体，在到达黑洞边缘消失之前，会绕着黑洞在轨道上旋转形成气盘。在气盘中，相邻各层之间的气体因剧烈的摩擦而生热，最终导致发射X射线。
因此，X射线正是气体进入黑洞前的最后踪迹。可是，当气体落向中子星或白矮星时，同样也会发出X射线，那么如何区分这两者呢？
那就得进一步考察X射线源的质量了。假如它的质量是太阳质量的3倍时，就有可能是黑洞。
天鹅X-1正是这样一个黑洞的候选者。这颗X双星有一颗看不见的伴星，其质量为太阳质量的8～10倍。
黑洞尤其是星系黑洞有极大的引力，会使经过它近旁的来自远方的星光发生偏折，产生“引力透镜”效应，从而会使位于它后面的天体放大或变形，为此科学家也常用此方法来发现它。
现实中的宇宙黑洞，由于其巨大的引力作用，连光线都被紧密吸引束缚，因而无法被人们直接观测发现。为确定黑洞天体存在的证据，天文学家通过研究发现，黑洞周围的物质行为具有特定的行为：在黑洞周围的宇宙空间中，气体物质具有超高的温度，并且被黑洞强大引力场吸引，剧烈运动后，这些物质在彻底消失之前，均会被提升到接近光速。而当气体物质被黑洞彻底吞噬后，整个过程都会释放出大量的X射线。通常正是这些逃逸出来的X射线，显示出此处有黑洞确实存在的迹象。这便是以往人们发现黑洞的最直接证据。
第二节黑洞的分类
1.暗能量黑洞和物理黑洞
按组成来划分，黑洞大致可以分为两大类：暗能量黑洞和物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大暗能量组成，内部没有巨大的质量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋转，其内部产生巨大的负压，以吞噬物体，从而形成黑洞。暗能量黑洞是星系形成的基础，也是星团、星系团形成的基础。
物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成，具有巨大的质量。当一个物理黑洞的质量等于或大于一个星系的质量时，我们称之为奇点黑洞。暗能量黑洞的体积很大，可以有太阳系那样大。
但物理黑洞的体积却非常小，它可以缩小到一个奇点。
