众所周知,黑洞能够吞噬物质和能量,而且只进不出,如果说它们可能与宇宙中最耀眼的事件——伽马射线爆发有关,会显得有点自相矛盾。
讲到这里,我们不妨停顿一下(在谈到黑洞时,这是个不错的选择),了解一下黑洞,看看它奇特的形成机理。
在第三章中,我们谈到,巨大的恒星在内核聚变反应所需的“燃料”用完后就会爆炸。内核惊人的引力会引发恒星表面塌缩,触发一系列导致恒星爆炸的事件。不过,那里的描述更多地集中在外层发生了什么,没有提到内核自身的变化。其实,那里就是伽马射线爆发的能量“集散地”。
内核崩溃后,电子高速撞击质子,形成中子(并散发出大量中微子)。转眼之间,恒星的整个内核变为一个中子的“海洋”。曾经数千英里宽的内核变为一个高度凝缩的中子星。它的质量和太阳差不多,但密度高得让人难以置信:一匙中子星的质量就有1亿吨!这比美国所有汽车质量的总和还多一点。想象一下,2亿辆车被压缩成一个糖盒大小,中子星的密度有多高你大概有所了解了吧?
中子星能够顺利地形成还要靠一种被称为“简并”(degeneracy)的量子力学效应。它有点像静电互斥(electrostatic repulsion)——像电极互斥一样——但不同的是,这里发生“互斥”的是一群同质的亚原子颗粒。当太多的电子被强行挤在一起时,就会出现简并效应。简并压力非常强,足以使得巨大的内核不再进一步塌缩。恒星内核的塌缩停止后,中子星诞生了。
一般来说,如果恒星内核的重量超过太阳的2.8倍,即使是简并压力也无法遏制塌缩的继续。内核的引力已经大到再也没有什么力量能够阻止它了。
接下来发生的事情相当诡异,按照正常的逻辑很难理解。当一个物体体积变小而质量保持不变时,它的引力会变得更强。举一个简单的例子:如果把地球的直径缩小一半而维持原有质量不变,你受到的引力(你的体重)会增加。地球变得越小,引力越大。
如果要在“微缩”的地球上把一个火箭发射到月球,必须给它更多的动力以克服地球的万有引力。地球变得越小,火箭需要的动力就越大,以此类推。最终,当地球压缩到一定程度时,它的引力就会大到无法克服。
你可能会想,只需要给火箭更大的推力就行了。但是,当地球的密度如此高时,爱因斯坦“有话要说”:引力只是空间弯曲(bent space)的一种表现。你所感到的指向地心的引力,实际上就是空间的一种弯曲,就像在床垫上放一个保龄球它会弯曲一样。当保龄球在床上滚动,它经过的地方就会弯曲;同样道理,小行星的路径也会由于引力而在经过地球时发生弯曲。
这不仅仅是一个模型、一种推测。它的结论是非常实际的:如果太多的物质被压缩到一个太小的体积内,空间的弯曲会变得如此剧烈,实际上它会形成一个无穷深的洞。你有可能掉进去,但是从此再也不可能爬出来。
这样的物体在宇宙中就像一个“洞”。一旦进入,没有什么能够逃脱,包括光线在内!因为它本身不发光,这个洞应该是黑的。如果是你,会叫它什么呢?
黑洞位于爆炸的恒星内核。如果这个内核质量太大而无法稳定地形成一颗中子星,它就会塌缩。一路直下,缩减到一个数学意义上的点(mathematical point),空间弯曲到极限,一个黑洞就此诞生了。
黑洞的引力非常强。任何靠近它的物质都会被“无情”地拉入其中。不过有一个问题。恒星是旋转着的,它们的内核也是。当内核塌缩形成黑洞时,旋转速度还会增加,如滑冰者可以通过收回手臂加速他的旋转一样。一旦黑洞产生,它一定是处于高速旋转状态,而且任何掉入其中的物质也会跟着一起转动。越接近黑洞,围绕它旋转的物质的速度越快。
由此可见,掉进黑洞中的物质并不是直着下降——扑通!然后消失;而是“盘旋”着进入的。还在黑洞外面的物质开始积聚,形成一个被称为“吸积盘”(accretion disk)的扁平盘状物(吸积是积累物质的过程)。这种情况在任何塌缩之前旋转的恒星上都会发生,但模型显示,引发伽马射线爆发事件的“先辈们”可能比普通的恒星转得更快,它们比转得较慢的恒星更易形成吸积盘。而且一旦这个盘体形成,在黑洞引力的作用下,盘体内部物质转动的速度可以接近光速,即使是远在边缘上的物质也会以惊人的速度运动。
黑洞形成时,不仅是旋转速度和引力得到增强。恒星还有磁场(见第二章),正如引力会随着恒星体积的缩小而增加一样,磁场也会在这个过程中得到加强。一个典型的恒星的磁场强度与地球相仿:仅仅能够转动罗盘中的指针。不过,如果一个数百万英里宽的恒星压缩到只有数英里宽时,磁场力会大幅增强,增加到之前的数十亿甚至数万亿倍。
因此,任何落入黑洞的物质都会受到各种力的作用。引力把它往里拉,但是它的角动量(angular momentum)又起到抵制作用,形成了吸积盘。随着物质在吸积盘周围旋转,磁场像龙卷风一样被扭曲。当吸积盘里的物质在黑洞引力的作用下疯狂地旋转时,其中的颗粒以惊人的速度相互碰撞,相互摩擦,吸积盘被加热至数百万度。
高温并不喜欢这些颗粒,总是想把它们赶出黑洞。如果颗粒选择从吸积盘的平面向外飞出,它会撞到其它颗粒而无法逃脱。但是,如果它足够“聪明”,向上、向下飞出,就可顺利通过——那个方向颗粒较少。同时,超强的磁场也会给选择向上、向下飞的颗粒以“鼓励”,使得它们获得极高的速度。高温和磁场联合起来将聚焦出一对密集的光束,就像两个底部对在一起的手电筒一样。这两道光束沿着黑洞的上下方向射出,沿着垂直于盘体的方向远离黑洞而去。
接下来发生的一幕会很混乱。在黑洞产生、吸积盘形成后不久,所有能量紧凑地聚集到两股朝着相反方向爆发的光束中,它们以光速前进,“吃掉”途中的一切。几秒后,光束就已到达恒星的表面并最终获得了自由。途中的所有物质在被“撕碎”并加热到数十亿度后,“收编”到光束中。有意思的是,在恒星中“冲杀”的这对光束中的物质其实很少,也就有几百个地球那么多。对我们来说,这已经很多了,但从宇宙的角度看,它们太少了。不过反过来说,这也是它们具有如此威力的一个关键因素:轻装上阵的光束更容易提高“行军”的速度。
当一个质量非常高的恒星的内核崩溃,恒星中心强大的力量将聚集出两束物质和能量。能量和物质束可能只能维持几秒,但是其蕴含的能量相当于或高于太阳在整个生命周期中发出的能量的总和。
此时,星云仍在这个行将灭绝的恒星周围盘旋,不忍离去。当光束经过星云时,形成能量和物质喷射流,产生巨大的震荡波。
由于飞行速度不同,在能量和物质喷射流的内部也会产生震荡波。在物质相互碰撞的过程中,惊人的能量会把这些物质进一步“搅拌”,造成难以想象的混乱,这反过来又会大幅增加能量的爆发。随之产生的磁场和光束的原始能量不断“轰击”这些物质,接连发生的冲突最终引发了巨量的伽马射线。
一个伽马射线爆发事件就此产生。
光束持续前行。在它们身后,恒星完成塌缩的过程,形成一个“普通的”超新星。在伽马射线爆发事件被发现之前,超新星被认为是宇宙中最猛烈、能量最高的事件。但是在一个像样的伽马射线爆发面前,超新星事件有点相形见绌。基于此,天文学家们杜撰了一个新的名词来形容这个事件:“极超新星”(hypernova)。
光束经过的气体温度剧烈上升,在光束走后,这些气体开始逐渐冷却,并在一段时间内发出光亮。这就是地球上的科学家们热切搜寻的那些“余辉”的来源。这些气体可以变得非常明亮——1999年的一次伽马射线爆发虽然发生在将近1亿光年远的地方,但是在地球上几乎可以用肉眼看到!不过,这些“余辉”衰退得很快,几分钟后亮度就会下降数千倍。这就是为什么可见的“余辉”起初如此难以观测的原因。毕竟,就算是伽马射线爆发的巨大能量,也会随着距离的增加而减弱。
现在我们知道,伽马射线爆发事件是由极超新星产生的。当一个巨大的恒星爆炸……我们还知道,在我们的银河系中也存在着这样的巨大的恒星!当然,到目前为止,我们已观测到的所有伽马射线爆发事件都来自超远距离之外。
但是,如果爆发离我们不是那么远,会怎么样呢?