中子星和黑洞
中子星和黑洞是宇宙中密度和引力最强大的两类颇具神秘感的天体。光是中子星就已经够不可思议了，偏偏还要添上黑洞。它是宇宙中的死亡陷井和无底深渊，没有物质能摆脱它的强大引力，包括光线。在它附近，今天的所有物理定律都显得不适用了。
我们知道，当恒星走完其漫长的一生后，小质量和中等质量的恒星将成为一颗白矮星，大质量和超大质量的恒星则会导致一次超新星爆发。超新星爆发后恒星如何演变将取决于剩下星核的质量。印度天体物理学家昌德拉塞卡于上世纪三十年代末发现，当留下的星核质量达到太阳的一点四倍时，其引力将大到足以把星核内的原子压缩到使电子和质子结合成中子的程度。此时这颗星核就成了一颗中子星，其密度相当于把一个半太阳的质量塞进直径约二十四公里的一个核内。
中子星的表面温度约为一百多万度，辐射χ射线、γ射线和和可见光。中子星有极强的磁场，它使中子星沿着磁极方向发射束状无线电波（射电波）。中子星自转非常快，能达到每秒几百转。中子星的磁极与两极通常不吻合，所以如果中子星的磁极恰好朝向地球，那么随着自转，中子星发出的射电波束就会象一座旋转的灯塔那样一次次扫过地球，形成射电脉冲。人们又称这样的天体为“脉冲星”。
超新星爆发后，如果星核的质量超过了太阳质量的两至三倍，那它将继续坍缩，最后成为一个体积无限小而密度无穷大的奇点，从人们的视线中消失。围绕着这个奇点的是一个“无法返回”的区域，这个区域的边界称为“视野”或“事件地平”，区域的半径叫做“史瓦西半径”。任何进入这个区域的物质，包括光线，都无法摆脱这个奇点的巨大引力而逃逸，它们就像掉进了一个无底深渊，永远不可能返回。
天文学家称这种由于恒星死亡形成的天体为恒星级黑洞。一般认为，宇宙中的大多数黑洞是由恒星坍缩形成的。此外，在许多恒星系的中心也有一个因引力坍缩而形成的超大质量黑洞，比如在类星体星系的中心。在宇宙诞生初期可能曾经形成过很多微型黑洞（太初黑洞），这些黑洞的体积很小，质量相当于一座大山。
虽然黑洞本身不可见，但可以用至少两种方法检测出它的存在。当一个黑洞吸引尘埃、气体或恒星时，它的强大引力会把这些物质撕碎成原子微粒，原子微粒会从黑洞的边缘沿螺旋线坠向中心，速度会越来越快，直至达到每秒九百多公里。当物体被黑洞吞没时，会因为互相碰撞而使温度上升到几百万度，并发出χ射线和γ射线。在宇宙中，只有黑洞能使物体在密集的轨道上加速到如此高的速度；也只有黑洞才会以这种方式发射χ射线和γ射线。
任何物质或辐射到达黑洞边缘，越过它的视界就永远消失了。在黑洞的奇点附近，现有的任何物理定律都是不适用的。黑洞的奇点和我们现已认识的宇宙中的所有物质状态截然不同。到目前为止，还没有任何科学方法能用来测量黑洞。现在我们说找到了一个黑洞都是通过间接途径推算出来的。
密度惊人的中子星
从1992年年底算起，正好在四分之一个世纪之前，全世界绝大多数天文学家都处于一种紧张、亢奋的状态之中。一项偶然的发现，使全世界的射电望远镜都指向了茫茫天球上的一个狭小的区域。新闻记者们捕风捉影，接收到了外星人无线电信号的消息成了全地球人的最热门的话题。事件是这样开始的：
1967年7月，在英格兰的剑桥附近，一架专为研究星空“闪烁效应”的射电望远镜启用了。8月的一天，专门负责检查自动记录图纸的贝尔小姐——爱尔兰的研究生发现了一个十分奇异的射电信号，它与以前天文学家所了解的由太阳大气所引发的“闪烁效应”根本不同，它的脉冲短促，按当时的记录速度，难以辨别它的周期。或许这是地面上电气设备的干扰信号吧？但无论如何，观测的负责人还是决定加强监测，并调快了自记纸张运行速度，以期弄清这个奇异的射电信号的周期。到9月份，一切都准备就绪时，神秘的射电信号却失踪了。
1967年11月，该射电望远镜再次收到了来自太空的射电信号。当贝尔小姐将第一份高速记录纸带送给负责人安东尼·海威斯先生过目时，海威斯先生竟惊异得目瞪口呆：神秘的信号源发来的是间隔约1.33秒的短周期脉冲无线电波。在紧张的核对这一记录的过程中，科学家更加惊奇地发现，这些无线电波的历时，精度不低于百万分之一秒，是一座相当准确的天文“时钟”。
各国天文学家的共同努力，迅速排除了是智慧生物的联络信号的任何可能性。随后，很快证实了，这些无线电信号来自理论天文学家预言过的、过去还从未发现过的中子星。
20多年过去，科学家已弄清了中子星的大略状况。那些质量为1.5～2.0个太阳质量的恒星，用尽核燃料后，在引力作用下收缩时，达到白矮星阶段仍不会停止，而要进一步收缩。如果说，强大的引力压力使白矮星物质的电子紧贴着原子核运行的话，那么，更大的引力高压则把电子完全压到原子核内，电子和质子合为一体了。即是说，在这类天体上，物质的原子已不再显现出电的特性，完全由挨得很近很近的中子组成，这就是中子星。
中子星的直径大约只有8～9公里，但它的质量却差不多和整个太阳系的质量一样。据估算，中子星的密度可以高达每立方厘米1亿吨以上，真是令人难以想象。
一颗巨大的恒星，在收缩成为中子星的过程中，遵守着角动量守恒定律——质量越集中，自转速度就越快。目前，已观测到的银河系的中子星，每秒都自转1000周左右。恒星收缩时，还导致了其原有磁场强度的增大，一般认为中子星的磁场强度可以达到普通恒星磁场强度的100亿倍。
极高的密度，难以想象的飞快自转，超乎寻常的磁场强度，是中子星的基本特色，也是它能发射本文开头所提到的奇异射电信号的主要因素。理论物理学家正借此来推进他们的理论设想，射电天文学家们则希望能更多、更详细地了解中子星的秘密。
寻找黑洞
自从在理论上证明了黑洞存在的可能性以后，探索黑洞便成了最引人注目的研究。那么黑洞到底隐藏在哪里呢？
或许你想象不到，在宇宙间发现黑洞是件多么难的事情。你不可能简单地用一架望远镜仰望漆黑的天空，就此老老实实地期望发现一个黑洞。因为黑洞不发光，使得它们极其难以捉摸。
黑洞可能有大有小，但它的类型却是有限的。黑洞的特性是指它的质量、自转和电荷。如果我们以从大质量恒星演化而来的黑洞为目标，则搜索黑洞就会容易些，因为我们对这类黑洞的起源比较了解。恒星在晚年核燃料全部耗尽，星体在其自身引力作用下开始坍缩。若其质量大于太阳质量3倍，则坍缩的最终结果就是产生黑洞。此类恒星级黑洞的质量一般不超过太阳的50倍。此外，在双星系统中，黑洞天体可以从它的伴星吸取物质并发射X射线，而X射线我们是可以观测和分析的。正是对双星系统的分析，我们获得了黑洞存在的最好证据。其中天鹅座X—1是最强有力的黑洞候选者。
寻找不同质量黑洞也是可能的。远小于恒星质量的小黑洞可能在宇宙开始时大爆炸的引力混沌中形成，大爆炸异乎寻常的力量把一些物质挤压得极其紧密，于是形成了“原生黑洞”。其典型尺度仅相当于一个基本粒子，质量与小行星相仿。20世纪70年代研究黑洞的一个引人注目的结果是小黑洞的蒸发理论。但目前尚未发现正在蒸发的小黑洞。质量比恒星大的黑洞也可能存在。星系和球状星团的中心部分恒星很密集，星体之间容易发生大规模的碰撞而产生超大质量天体的坍缩，形成质量超过太阳质量1亿倍的大黑洞。这些大黑洞可能为在巨大的星团中观测到的X射线源提供能量，它们也可能是给类星体供应能量的“发电站”。如果整个宇宙停止膨胀的话，宇宙的结局就会是一个黑洞。
然而，黑洞的存在与否，以及它的类型和性质，仍有待我们去证实与检验。黑洞就像其本身的特性一样，用它极其强大的引力吸引着我们去探测这一宇宙的杰作。
由于黑洞极其独特的性质，使对它的发现和检测变得非常困难。面对巨大的挑战，科学家们充分发挥了他们的卓越才能和智慧。
解决问题的钥匙正是问题的性质本身。所有黑洞的周围环绕着强引力场，以至于黑洞视界内的任何辐射都无法逃离黑洞。因此使我们不能直接探测到它们。然而也正因为这样，可以通过观测黑洞对周围事物的强引力作用而对它进行检测。虽然有一点是不幸的，我们永远不能直接观测到黑洞本身，而是间接发现和检测。但是我们终于摆脱了困境，找到了出路。
检测黑洞的一种可能方法牵涉到光的引力偏转现象。光线通过一个强引力场时会发生弯曲。当光线在黑洞附近通过时，则由于环绕黑洞的强引力场引起时空有很大的曲率，这种效应将显著得多。当地球、黑洞和遥远的星体排在一条直线上时，地球上的观测者将看到遥远星体的两个像，分别在黑洞两侧。而这种借助黑洞扫曲遥远的背景恒星或星系的配置就像光线通过一个玻璃透镜一样，所以称之为引力透镜，当然这种方法本身就是很困难的。因为这要求地球、黑洞和背景星体三者必须极其准确地排列成一条直线，而这种完美无缺的排列是极罕见的。
在探测黑洞这个问题上，也许观测黑洞对气体和尘埃的吸积现象比观测引力透镜格外奏效。因为掉进黑洞的气体可能会发出在远处可以检测的辐射。由于星际空间几乎是完全真空的，星际气体的原子彼此相距如此之远，以至一个孤立的黑洞不可能吞噬这种气体快到足以产生可以检测到的辐射。
我们必须改在气体供应充足的附近去探测黑洞。而双星系统是理想的候选者。当一个双星系统中有一个黑洞存在时，另一颗恒星风中的粒子经过黑洞附近时被俘获进入绕黑洞的轨道而形成吸积盘。当这些向内盘旋的气体越来越近黑洞时，它们被摩擦加热到越来越高的温度，恰在它们最终掉进黑洞之门前产生极其强烈的X射线。
由于地球大气对X射线的吸引完全阻碍了地面观测。在此天文学家必须在地球大气之外进行观测。于是在1970年12月12日，美国发射了一颗名为“乌呼鲁”意即“自由”的X射线天文卫星。“乌呼鲁”的上天使得对黑洞的检测得以实测。一年后便发现了一个最理想的黑洞候选者——天鹅座X—1双星系统。此后相继发射了一系列X射线检测卫星，例如“爱因斯坦天文后”等等。因而接连不断地得到越来越好的X射线图，从而对黑洞的检测工作进展迅速。
寻找快速X射线闪烁的捷径在于从天空里接连不断发现的许多X射线源中间找到黑洞的候选者。我们说不定会立刻发现黑洞比任何人想象的要多得多。
黑洞的神奇魅力，使对它的检测成为现代天体物理学的前沿，也是整个科学和人类认识观的前沿。