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第24部分（第1页）

当的方式瓦解：一种是黑洞附近的两颗管星式恒星的碰撞；另一种是单个恒星被黑洞的潮汐力撕裂。

恒星碰撞

太阳系里两颗管星相撞的机会是微乎其微的，而在黑洞附近就不是如此。恒星之间碰撞的理论表明，两颗太阳类型恒星的低速（低于500公里／秒）碰撞是“软”碰撞，它们将粘结在一起，成为一颗大恒星。如果它们的速度大于500公里／秒，恒星就会被撞成碎片并散射开去。在星系盘甚至星团里，恒星的速度很少有超过200公里／秒的，然而，巨型黑洞的极深力洪能把附近恒星加速到每秒几千公里的速度。可以计算出，在一个10亿M黑洞周围10光年的范围内，香星式恒星的碰撞是毁坏性的，发生的频率为每年10次。碰撞的碎片成为气体云，在围绕黑洞的轨道上运转，填充着黑洞的“食品柜”。

不过，恒星间的碰撞看来只能作为那些含有很大黑洞的类星体的维持机制。对于那些其中黑洞较小、活动性也差些的星系核，恒星碰撞的频率就太低，以至于可能根本不起什么作用。

黑潮汐

巨型黑洞周围最惊心动魄的现象恐怕就是恒星被潮汐力所粉碎了。当一颗恒星在黑洞附近运动时，它靠近黑洞的一侧所受的引力比另一侧所受的要强，两侧受力之差就是由黑洞所施加的潮汐力（见“宇宙高尔夫球场”一节）。如果恒星运动的轨道近似是圆形的，潮汐力就总是很小，恒星能够调整其内部结构，成为朝向黑洞拉长的形状，以与外力相适应。但是，如果恒星是在黑洞引力场内的一个偏心轨道上运动，潮汐力就会随着它与黑洞距离的减小而迅速增大（在黑洞中心潮汐力成为无穷大，见“轻率的宇航员”一节），于是就会有这样一个位置，潮汐力达到与把恒星约束在一起的力一样大，恒星就再也不能调整其内部结构，而是开始急剧地变形，并被无可挽回地瓦解。

这种壮烈的事件只有当恒星行进到与黑洞的一个；临界距离以内时才会发生，这个距离称为洛希限度，因法国数学家洛希在1847年研究行星与其卫星之间的潮汐力问题而得名（络希的名字也被用于命名表征双星弓I力影响范围的“洛希瓣”，见图59有趣的是，一颗超过了洛希限度的恒星的破碎，就像它与另一颗相对速度超过500公里／秒的恒星相碰撞时一样容易。恒星一旦穿越洛希限度，它就像是与自己碰撞一样）。

洛希限度的大小主要取决于黑洞的质量，如果黑洞质量太大，即超过1亿M，黑洞半径（与质量成正比）就会比洛希限度大。这种情况下恒星只有在黑洞内部才会被潮汐力破碎，所有碎片自然也都在黑洞之内，天文学家也就什么都观测不到。对于质量较小的黑洞，恒星能在黑洞外被潮汐力摧毁。这就是为什么今天的大多数天体物理学家相信，赛弗特星系和那些几乎不活动的星系核里有着质量在11万到1亿Mpe间的黑洞，这些黑洞在吞食着由潮汐力撕裂的恒星碎片；而类星体和明亮的星系核里有着质量更大的黑洞，吸积原料则由恒星碰撞来提供。

“薄煎饼”

关于恒星被潮汐力变形和破碎的描述长期以来是以洛希对行星周围圆轨道上液体或固体卫星的研究为基础的。他证明，一个天体在另一个近邻大质量天体潮汐力作用下，会趋于在朝着后者的方向上伸长，而在垂直方向上收缩。这就是海洋面不仅在最靠近月亮处较高（那里受到的月亮引力最强），而且在正相反的位置上也较高的缘故（图67）。如果潮汐力相当大，如在一些很紧密地束缚着的双星系统的情况中，天体就会被拉成瘦长，像雪茄的形状。洛希限度就是这样一个距离，比它更近时变形会如此严重，以至于天体不再能稳定存在，而是开始破裂。

尽管以上所述对地球一月亮的情况是正确的，对黑洞一恒星系统却未必如此，因为天体的类型大不相同。布兰登·卡特和我本人几年前在默冬天文台决定重新考查这个问题，我们发现了未曾预期的现象，使得一些已被人们认可的关于天体被摧毁的概念受到了挑战。

黑洞一恒星系统与行星一卫星系统的差别主要是两点。第一，香星式恒星的轨道不是圆形的，而是拉得很扁的。一颗恒星要到达潮汐力具有破坏性的区域，它就必须沿很偏心的轨道运动。如果银河系中心确有一个质量为300万M、半径为1000万公里的黑洞，则任何一个像太阳这样的恒星行进到距黑洞2亿公里以内时都会被摧毁，因为这个距离就是银心的洛希限度。我们给自己提出的问题是这样的：对于一颗深入到了洛希限度以内而又没有被黑洞吞噬的恒星，将会发生什么？在1000万公里的黑洞表面和二亿公里的洛希限度之间，毕竟还有很大的空间。潮汐力与到黑洞距离的立方成反比而变化，这就是说，在比洛希限度小10倍的距离上，潮汐力比在络希限度处要大1000倍，而后者本身已大得足以摧毁恒星。因此一颗进入到洛希限度以内深处的恒星看来会比仅仅擦过该限度的恒星遭遇到凶暴得多的灾难。

黑洞一恒星系统第二个重要的特征是承受潮汐力的天体的性质：太阳这样的恒星与月亮或行星不同，是由气体而不是由岩石组成的，因此就更容易被潮汐力压缩。这正是深入到巨型黑洞的洛希限度以内的恒星所要发生的变化。虽然开始时它趋于变为雪茄形，但潮汐力像巨大的轧机一样很快就把它压成摊在轨道平面上的薄饼（图68）。

压缩意味着加热，这两个过程都很敏感地依赖于进入洛希限度以内的深度。如果恒星只是刚刚擦入该限度内，潮汐力还不足以压缩它，它就像一只巨大的水球一样，被拉长成雪茄形并膨胀，终于在再从洛希限度内出来后碎裂。与此相反，如果恒星深人到小于洛希限度10倍的距离，它就会被潮汐力高度压缩，在0．l秒内密度增大1000倍，温度升高100倍。当然，恒星最终也会碎裂，组成它的气体会消散，但在此之前它却像一个巨大的极高温极高密度的薄煎饼。

黑洞引爆器

恒星被挤压成“薄煎饼”的最惊人后果是其中热核爆炸的发生。支配着能量流的热核反应速率密切地依赖于温度。对于一颗处在流体静力学平衡中的恒星，如像太阳，其中心密度是100克／立方厘米，温度是开氏1500万度。在这种“正常”条件下，占支配地位的核反应是氢聚变，反应速率极其缓慢（见第4章）。

如果一颗恒星碰巧落到了巨型黑洞的洛希限度以内，其中心温度就会在0．l秒内升至10亿度。就像导致超新星爆发的情况那样，热核链反应被大大加速了。在这个短暂的加热时间里恒星中的氢并不能聚合，但那些原先处在呆滞状态的较重元素，如氦、氮和氧，却能在瞬间转变成更重的元素，并释放出能量。恒星煎饼里发生了热核爆炸，成了一种“偶然的超新星”。

这种爆炸的影响是深远的。一部分恒星碎片作为高温气体云块被吹离黑洞的控制范围，并能携带所有与之碰撞的其他云块一起远去，其余碎片则迅速地落向黑洞，产生短暂的辐射爆发。像超新星一样，恒星薄饼也是制造重元素的熔炉，然后又把这些元素遍撒于星系之中。不过，计算表明，恒星饼所产生的重元素比例与超新星所产生的稍有不同，因此在不久的将来就可能从靠近活动星系核心的云的辐射谱中探测这些元素，从而为恒星被巨型黑洞所炸碎的过程提供直接证据。

超新星和恒星饼的热核爆炸的起因都是引力。对于超新星，恒星自身的引力场使它不能保持稳定，通过核心的坍缩而引起爆发。对恒星饼来说，则是黑洞的引力场从外部压缩恒星，并使它爆发。

这种由黑洞的极强引力导致恒星爆发的事件是罕见的。进入黑洞洛希限度的恒星数目本身就很有限，在活动星系核里大约是每年1颗，而在银河系核心则是每1000年1颗，而这些恒星中只有十分之一能足够地深入，以至于爆发。但是，潮汐力并不是制造恒星饼的唯一手段。在10亿M的超大质量黑洞附近，高速飞行的恒星之间的迎头相撞是相当常见的（大约每年10次）。这种相撞也可以形成暂现的恒星饼，因此，恒星饼爆发现象可以在几乎不活动的星系和类星体中起同样重要的作用，区别只在于前者的中心黑洞质量不很大，恒星饼是由潮汐效应制造；而后者有更大的黑洞，恒星饼是产生于恒星的碰撞。

同类相食

知道了内燃机能提供动力并不等于懂得了汽车如何得以行进。虽然巨型黑洞作为活动星系核中心发动机的模型是很有道理的，但我们仍须承认对活动过程的详情还所知甚少，类星体仍然是宇宙中最神秘的现象之一。

对类星体的分布而不是单个类星体的观测，已经提供了关于它们的形成、熄灭以及对母体星系生涯的影响等方面的大量信息。首先的问题是，是否所有星系在演化进程中都会或早或迟地经过类星体阶段，而究竟又是什么条件造就了这种壮观的状态？学者们的想法颇有些自相矛盾。类星体只是在非常遥远的星系里被观测到，也就是说是存在于很久以前，那么它们就应当是属于星系演化的早期阶段；而另一方面，如果类星体所需要的巨型黑洞是由恒星级别的种子发展而成的，就又意味着类星体是星系演化的晚期状态，大多数星系尚未到达这个阶段。

如果所有星系都或迟或早地要经过活动阶段，观测到的类星体数量相对很少这一事实表明，活动阶段是很短暂的，只能持续大约几万年的时间。但是关于延展的射电喷流的观测看来又表明中心发动机的运转时间不可能如此之短，因为喷流就将无法准直地延伸这么大的距离。然而类星体阶段又难以持续得更长，因为燃料供给问题无法解决。综上所述，活动的类星体状态必须持续大约1亿年，而又只发生在能够短时期地具备特别有利的条件的少数星系中。按照这个设想，类星体活动在黑洞一旦达到足够大的质量并且可得到充分的气体和恒星“燃料”供给时就开始，并随着燃料供给降低到某一水准之下而熄灭。这样看来，死亡的类星体应当比活跃着的更多（类星体都位于数10亿光年之外，而其寿命只有约1亿年，因此所有现在观测到的类星体实际上都早已熄灭）。

只要重新供给食物，死亡的类星体可以复活。在核心区星团被耗尽之后，需要的是从别处提供物质。星系的相遇是相当常见的事，尤其是在含有数百或数千个成员的星系团里。最近的观测显示，许多类星体都与碰撞的星系有关联，星系内的活动可以由星系之间的物质转移而激发，就像恒星X射线源的动力是来自对伴星物质的吸积一样。

还有一个事实已被注意到，就是在邻近星系中，那些成对或成群的比孤立存在的要稍微活动一些。这个现象在拥有大量成员的星系团的中心尤为明显。那里有着比“正常”星系大100倍的“超巨型”椭圆星系，那些星系的射电辐射特别强，并且周围有一群卫星系在朝着它们下落。这种超巨星系因而就会通过同类相食，即吞噬邻近的较小星系而变得更大。可以合理地设想，许多被捕获的星系中心有着大黑洞，于是那贪吃的星系里可能就有着多重核心，即包含着多个黑洞，那些黑洞会相互扰乱周围物质的分布，从而使吸积率增大。事实上在巨型射电星系里确已观测到几个活动中心。然而，一群黑洞注定最终要并合成单个巨型黑洞，其表面积大于并合前各个黑洞的表面积之和，于是在遥远的将来总有那么一天，黑洞吃光了食物，活动星系也就沉寂下来。

而现在，如果黑洞确是类星体的发动机，我们就得到这样一个看似奇怪的结论：黑洞本身是肉眼所完全不可见的，但若它恰当地被恒星的气体所围绕，就会成为宇宙中最明亮的光源。第十八章　引力光

我必须向爱因斯坦先生提一个问题：在您的理论里引力作用是以多大的速度传播的？

——H克斯·玻恩（1913）

牛顿理论中的引力是一种在物体之间瞬时地作用的力，如本书前面所述，这个思想是包括牛顿本人在内的众多物理学家所不能接受的。一个世纪后拉普拉斯对牛顿理论作了修改，使引力作用以有限速度传播。但是这个主意很快就被抛弃了，因为它提出了一个无人能回答的问题：如果一个物体受到激烈抗动，它的引力场就必须在很短时间里作出调整，以与该物体的新构型相一致，那么这种调整是怎样传播的呢？

爱因斯坦广义相对论给出了一幅引力传播的自洽图像。爱因斯坦给自己提出的问题是，一个加速运动的质量是否能辐射引力波，正如一个加速运动的电荷能辐射电磁波一样。他在1918年得到的引力场方程的解表明，时空曲率波以光速行进，他发明出了～种“引力光”。

引力波与电磁波之间的类比对于理解现象背后的本质是有帮助的，但也并不很大。引力波的结构及其对物质的作用都比电磁波复杂得多。第一个重要的差异是，引力只是吸引；质量，或称为“引力荷”，总是具有同种符号，由此造成的结果是，一个基本的引力“振子”，即在一根弹簧两端振荡的两个质量，就不会辐射出与两个异号电荷产生的同样类型的波（电磁辐射是偶极的，而引力辐射是四极的，引力振子中的每一个质量都单独地是一个偶极子，不能产生引力波）。

另一个复杂性是，引力子，即假设的引力波的传媒粒子，有着与其能量相对应的“引力荷”；而光子，即电磁作用的传媒粒子，却没有电荷。于是，由加速质量所产生的引力波本身又是一个引力源，引力又产生引力。用专业术语说，这叫做“非线性”。非线性甚至给看来是最简单的问题的解决都带来很大的困难，如像对两个运动物体所产生的引力场的计算。与电磁场不同，如果两个质量各自产生一个引力场，则它们的合引力场并不是各自引力场的相加，而是还必须考虑两个质量相互作用的引力，而这是随着它们的运动而不断变化的。这就是为什么“两体问题”（例如双星系统的引力场）的牛顿解很容易计算出来，而在广义相对论里却不能得到严格解的道理。

如果引力场足够地弱，则“非线性”可以被忽略，问题得以简化。这种做法在试图探测遥远源的引力辐射时是适用的，但是，这种简化的方程不能运用于超新星或两个相碰撞黑洞的附近区域。

引力波与电磁波之间的第三点根本差别是它们的相对强度。两个相隔一厘米的质子，既有质量也有电荷，因而既有引力相互作用也有电磁相互作用，但它们相吸引的引力要比相排斥的静电力小103’倍（原子核里把两个质子拉在一起的核力又比电磁力强100倍）。这就是探测引力波的主要障碍。赫兹在实验室里产生和接收电磁波，是在麦克斯韦预言其存在之后仅仅10年；爱因斯坦预言引力波的存在已有70年了，而引力波还没有被探测到。

可以再举几个例子来说明通常条件下引力波的极端微弱性。先看一个具体的基本引力振子：一根10厘米长的弹簧两端各有一个1千克的质量，它们每秒钟振荡100次，振动范围为1厘米。假设这个系统所释放的引力能全都转化成电能，则为着点亮一只扣瓦灯泡所需要的这种振子的数目，将比组成地球的全部基本?