射電波的探測比對伽瑪輻射要容易得多
世界的真正奧秘之所在，並不是不可見物，而是可見物。
——奧斯卡-王爾德(Oscarwude)
第十五章原初黑洞
團塊
讓我們返回到宇宙的極為遙遠的過去，即150億年以前。剛剛形成的宇宙並不是一
種均勻平靜的“湯”，由于微小漲落的激發，物質在自身引力作用下趨于聚集成團塊。
但是，像爐子里的蛋糕一樣，宇宙由于大爆炸的力量而在膨脹。這種總體膨脹與局域凝
聚之間的對立是當代物理學最大的問題之一：某些團塊究竟是怎麼發展成星系的呢？似
乎宇宙的膨脹終究應該足以阻止局域的凝聚，以至于在宇宙的曆史上，沒有任何星系、
恒星、行星以及處在這個鏈條終端的生命能夠出現。
星系的存在“實驗”地證明，原初宇宙中的某些漲落能夠增長，並與整體膨脹相脫
離。在這種凝聚過程中，密度反差，即團塊相對于周圍環境的質量超出，將無限制地增
大。在初始階段這種反差很小，即使團塊總質量已有幾百M時，密度的相對超出也只不
過千分之一。而今天，對同樣質量而言，密度反差已在ic萬倍以上。引力干得多勤奮！
(太陽型恒星與星際介質的密度反差還要大：10”比1。)
廚師都知道，在火上攪動一鍋醬汁時，小團塊比大的更容易形成。因此也有這樣的
可能，原初宇宙中那些大幅度的漲落使質量比星系小得多的物質首先凝聚成由引力控制
的物體。正是通過引人這樣一種機制，史蒂芬-霍金于1971年建議了原初黑洞的存在。
前面講過，由恒星坍縮而形成的黑洞質量在3的量級，對原初黑洞沒有這種制約，
各種形狀和尺度的黑洞都可以在宇宙早期形成，尤其是大小如基本粒子的微型黑洞。
有可能由天文觀測來檢驗關于微型黑洞的思想嗎？
碰撞中的世界
無疑地，最好是能在太陽系里找到微型黑洞。霍金提出，微型黑洞能被太陽捕獲，
並逐漸地朝日心下落，與人們的直覺相反，太陽不會被這個小黑洞吃掉，小黑洞可以在
太陽里存在很長時間而沒有任何可覺察的影響，只有在黑洞迅速增大的情況下太陽才有
危險。而事實上，被黑洞吞噬的太陽物質在消失之前會發出很強的輻射，輻射壓對外部
物質的推斥作用將限制黑洞的增長速度。被吞噬的物質流與被釋放的能量流相互調節，
使得黑洞周圍區域就像一個極其穩定的核反應堆。這個有著“黑心”的太陽將平靜地繼
續著它的主序生涯，很難覺察到它的活動有什麼改變。
這個獨特的方案曾被用來解釋地球上探測到的太陽中微子數與核反應理論預言的數
目之間的差異，不過它後來被拋棄了，因為能更好地解釋這種差異而又更常規性的機制
占了上風(例如，中微子可能有非零質量，于是由假定零質量所計算的中微子流就會與
觀測值不一致)。
還要指出的是，微型黑洞同我們地球碰撞的可能性是很小的，還不及大隕石撞上地
球的機會大。不過，小黑洞撞擊已被作為俄羅斯通古斯卡那場著名災禍的可能解釋之一。
1908年6月30日，西伯利亞的葉尼塞河流域遭到一個自天而降的物體的破壞，伴隨爆炸
而來的有光、聲和力的現象。沖擊波毀壞了周圍的大片森林，殺死了數百只馴鹿，1000
公里以外的人聽到了聲響，窗戶被擊碎，房屋被晃動，天空被照亮，有一段時間亮得在
高加索都能半夜在戶外看書。按照地震儀的記錄，爆炸威力相當于1500顆扔在廣島的原
子彈。但是，20年後才對爆炸的地方作科學考察。15公里以內的樹木被燒焦，30公里內
的樹木被推倒，全都由爆炸中心向外倒伏，但是並沒有標記撞擊點的隕石坑。
對這場災變的起因已經有了許許多多的說法，有的平庸，有的新奇。目前普遍接受
的一種是歸于一顆流星，或者更准確地說是一塊管星的碎片，一塊由冰和石頭組成的數
百米大小的碎片，逆著地球轉動的方向以50公里／秒的速度落到地面上，就會產生在通
古斯卡所見到的效果。在大氣中的蒸發以及大量粒子的注人使得沒有一個坑或別的大痕
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組成，與管星的成分極為一致。
然而，這種證據並未能阻止兩位美國天體物理學家提出一個根本不同的解釋，即一
個微型黑洞穿過了地球，就像一把熱刀穿透了黃油，又從地球的與通古斯卡相反的一側
鑽出來，而那一側卻碰上是南大西洋的中央，沒有樹或是窗戶留下見證來告訴人們發生
了什麼。
更深入的分析表明，黑洞在地球中穿過會導致地震波，但是沒有觀測到；黑洞鑽出
來時還會伴隨有大氣沖擊波，這也沒有觀測到。看來這種漂泊的微型黑洞的解釋確令人
難以置信(不過還趕不上反物質塊或是遇難的外星人飛船之類的解釋那麼離奇)，只不
過是作為一種宣傳材料而已。黑洞專家們是不會從這種宣傳中獲益的，如果黑洞隨處可
以見到，那麼反而顯得不可信了。
短暫的生涯
由霍金依據量子力學所揭示的微型黑洞的基本特征，即以黑體輻射形式的質量蒸發，
看來才是探測這類黑洞的主要希望之所在。
密度漲落理論表明，低質量黑洞只能在宇宙早期形成，而黑洞的質量越小，蒸發得
就越快(黑洞的壽命與其質量的立方成正比)。質量為1噸的黑洞會在10’‘秒內蒸發
光，而質量為100萬噸的黑洞則能存在10年。只有那些壽命比宇宙年齡(150億年)長的
微型黑洞才能維持到今天，這些黑洞的初始質量最少得有10億噸，這大約是一座山的質
量，而黑洞半徑只有10－‘’厘米，同質子一樣。
質量更大的黑洞的蒸發時間就比宇宙年齡要長得多，例如，IM黑洞的壽命大約是10
“年。這個巨大的數字並不出人意外，因為蒸發是一種量于現象，只發生在與基本粒子
直徑相當的極小尺度上。因此，對于那些質量比一座山大的黑洞來說，蒸發是完全無關
緊要的，無論這些黑洞是在宇宙早期形成的還是後來在超新星爆發時形成的。實際上，
大黑洞質量增大的速率超過蒸發的速率。現在的問題是，目前正在蒸發的黑洞應當有多
大的初始質量。
要回答這個問題，首先要明白，黑洞並不是存在于完全的真空里，而是處在具有一
定能量的媒介物質之中。介質的能量至少等于作為原初大爆炸遺跡的宇宙微波背景輻射
的能量。這個宇宙“浴池”的溫度是開氏27度。按照熱力學定律，那些今天仍存在的原
初黑洞中，只有質量小于10’‘克的(相當于月亮的質量，而半徑只有0。l毫米)才能
有高于開氏27度的溫度，因而才能蒸發，把能量給予周圍介質；而質量更大的黑洞則只
會吸收宇宙能量而增大自己的尺度。總之，質量小于礦5克的黑洞已經蒸發掉了，質量
在1015克到1026克之間的黑洞現在正在蒸發，而質量在1026克以上的，包括由恒星演化
形成的“第二代”黑洞，則都正在增大。
最後時刻
怎樣才能觀測到一個質量適當因而正在蒸發的黑洞呢？霍金的計算表明，在最後的
議1秒，蒸發變成爆炸，黑洞被突然地摧毀，其質量被轉變成能量。這種能量以一種高
強度的伽瑪射線爆發的形式消散，至少原則上距離為30光年以內的伽瑪射線暴是可以探
測的。
由第一章中的表1可以看到，伽瑪輻射所轉移的能量平均要比可見光輻射強100萬
倍。這種輻射因而有著強穿透性，如果不”是被地球的上層大氣阻擋，它對地球上的生
物將有致命危險。觀測宇宙伽瑪輻射的一種方法正是把大氣本身作為探測器，伽瑪射線
光子在穿過大氣上層時，會把自己的能量轉變成物質，產生粒子和反粒子的簇射。這些
粒子在產生的瞬間的運動速度等于真空中的光速，因此就比在空氣中穿過的光還要快。
這種“超相對論”粒子進人地球的電磁場，類似于超聲速的飛機那樣，也會形成沖擊波，
不過不是產生聲撞擊，而是產生一種可見光閃耀，稱為切論可夫(Cerenkov)輻射。這
|
射流。
由切倫可夫“光”探測到的伽瑪輻射暴平均每年有幾次，但是，它們並不具有微型
黑洞爆發的特征。當然，微型黑洞並不是天空中唯一的伽瑪輻射源，事實上，除了這種
突然的輻射爆發外，還有一種強度較低的連續伽瑪輻射已被在大氣以外運轉的衛星上的
儀器探測到。這個重要的發現表明，許多天文現象都能向星際空間發射高能輻射。關于
這種彌漫的背景伽瑪輻射的起源還在爭論之中，不過多數人相信是由中子星(見第16章)
這樣的致密星，或者在更大得多的尺度上由活動星系核所產生的。
盡管如此，仍可能有許多微型黑洞已在不久前爆發，並為背景伽瑪輻射作出了部分
貢隊一個名為SASZ的衛星已對彌漫伽瑪輻射作了精確測量。這種輻射的強度非常低，即
使假設全都是來自黑洞爆發，平均說來每立方光年體積內包含的原初黑洞也不可能多于
200個。這樣看來，最靠近地球的做到黑洞也在遠離太陽系的地方。
原初黑洞的真實密度還要小得多，因為可以作出比基于伽瑪輻射的推斷更為嚴格的
限制。微型黑洞爆發時發射的粒子將與銀河系的磁場作用，產生出特征射電波。由于對
射電波的探測比對伽瑪輻射要容易得多，微型黑洞的爆發應當能用大型射電望遠鏡探測
到，然而卻從來沒有過。這一事實對微型黑洞爆發的額度作出了一個很嚴格的限制：平
均每立方光年體積每300萬年里不可能超過一次。
總之，質量像一座山的原初微型黑洞可能存在，但是極為稀少。
引力幻景
微型黑洞爆發的蹤跡難尋，並不排除質量超過10”克因而尚未爆發的原初黑洞的存
在。這樣的黑洞又怎樣探測呢？
由第10章中描述的“照明”實驗已經看到，即使是一個完全孤立的黑洞也能使來自
遙遠源的輻射聚焦，起著“引力透鏡”的作用。
假設地球、一個黑洞和一顆恒星碰巧排在一條直線上，按照廣義相對論定律，黑洞
附近的時空彎曲將使來自遠處恒星的光在到達地球之前沿幾條可能路徑之一運動(圖
56)。于是，望遠鏡就必然會看到同一個光源的幾個像：一個對應著彎曲最少的光線的
“主”像，以及若干個對應著彎曲較嚴重的光線的“次”像。這種表觀像相對于真實像
的移動就叫做引力幻景。
有時在沙漠里可以見到的幻景是這樣造成的：由沙里散發出的熱使不同層次空氣的
溫度得到不同的升高，因而不同氣層就有不同的折射率，由沙所反射的光線就會沿不同
的路徑到達遠處的旅行者，于是就會形成各種神秘的幻景，可以被看作是綠洲、城市或
是海洋，完全取決于旅行者最想看到什麼。
探測由宇宙空間的彎曲所造成的引力幻景無疑要困難得多，不妨先考慮一下銀河系
外的巨型黑洞的情況。遠處的源，例如類星體或宇宙背景輻射(這種輻射的確是唯一的
在天空中到處都存在的電磁輻射源)，就可能會被黑洞的引力透鏡效應所影響。
天文學家已經掌握了一批引力幻景給出類星體多重像的實例，但是，造成這些幻景
的並不是巨型黑洞，而只不過是中介星系而已。所有的物質集結都能使時空連續體出現
一定程度的彎曲，因而都能起引力透鏡作用。大多數測量(像的分離等等)只能給出透
鏡的質量，所以如果透鏡本身沒有被探測到，當然就不可能說出那究竟是個巨型黑洞還
是個暗弱的星系。
1985年，一對名為哈利德(Hazard)1146＋lllB和C的類星體在天文界引起了轟動。
它們的紅移乍看起來是相同的，因而很像是同一個天體被一個插入透鏡造成的雙像。但
是與其他引力幻景不同的是，哈利德1146＋fll有著極大的角分離：2。6角分，比已知
的其他多重類星體要大20倍。如果它們確是同一個天體的像，引力透鏡的質量就得相當
于幾千個星系。
有三種類型的天體可以成為這種大質量的透鏡：極密集的星系團，“超巨型”黑洞，
以及“宇宙弦”。沒有任何觀測證據顯示在這個方向上座落有星系團。“宇宙弦”是基
本粒子理論家發明的一種優美構造，這是一種在宇宙的最初時刻形成的、很長而半徑幾
乎為零的弦，能夠輸送引力能。但是。沒有任何實驗方案可以用于證實這種東西的存在，
或是證實這個理論的合理。于是只剩下黑洞，它反而成了最少離奇性的解釋。哈利德
1146＋111的情況所需要的黑洞質量在”2到10”M之間，而且只能是原初黑洞，這個巨
大的質量遠遠超出黑洞學家的想象
但是在接受這種極端的解釋之前，必須肯定哈劄德1146＋111的確是引力幻景。更
精確的測量表明，它們的光譜並不一樣，也就是說這兩個像並不是源于同一個類星體，
而是相互靠得很近的兩個類星體。這是宇宙弦和超黑洞的夢的終結。這里細述這個故事，
只是想說明科學研究中常有這種混亂。一個轟動性發現的宣布(並引起新聞媒介的注
意)，其背後常常只是對不精確的資料作了錯誤的解釋，隨後所作的更好的測量又把這
個發現送回到“正常”的行列，從而再次證明簡單性原理的中肯：最“經濟”的即最
“平凡”的(沒有任何貶義)假設，幾乎總是正確的。
在巨型黑洞之後，再來看看恒星級質量黑洞的情況(包括原初的和後來形成的)。
這種黑洞的直徑只有幾公里，所以即使是處在我們銀河系內並且近到只有幾十光年的距
離上，其視直徑也會很小，以至與一顆更遠處的恒星排成一線的可能性就微乎其微。即
使這種排列真的發生，由黑洞質量所決定的恒星不同像之間的角分離，也會小得使目前
和將來的望遠鏡無法分辨，那麼就毫無希望了嗎？不是。因為透鏡(即使是微型的)效
應，並不只限于造出多重像，而是還能使像的強度增大，使光譜變形。考慮我們銀河系
或鄰近星系的暈里的一個微型透鏡，它相對于遙遠的(因而被看作是固定的)類星作背
景就有很緩慢的運動，排列成線的可能性就不再是可忽略不計的了，引力幻景就會使類
星體的光度和光譜出現短暫的變化。這個主意還挺不錯，以至于有些學者把整個一類有
活動核心的星系(見第對章)都解釋為微型透鏡的積累效應。幾個深入細致的觀測計劃
正在進行之中，其目的主要倒不是探測恒星級黑洞，而是要證實在星系暈里聚集著大量
很小而暗弱的恒星。
暗物質
現代宇宙學尚未解決的問題之一是所謂下落不明的質量。對星系運動的觀測表明，
“可見”物質(無論是在光學、射電、紅外或X射線波段可見)只占總質量的一部分。
可以舉一個簡單的例子來描述這個問題。許多星系聚集成團，形成束縛的引力結構，並
不散開到周圍的宇宙介質里。如果這些星系團只由可觀測到的單個星系和星系際氣體組
成，則引力將不足以使它們聚集在一起，因此就必然存在暗物質，在電磁輻射這種形式
上是不可見的，但是能提供引力以維持星系團的存在。
黑洞顯然是這種暗物質的候選者(最新的說法是“褐矮星”，有時被不大禮貌地稱
為“衰敗星”，指的是質量小到只有太陽的百分之一，因而核心不能發生熱核反應的暗
弱天體。關于微透鏡的觀測計劃的基本目的正是要找到這種星)，但是，各種由觀測得
出的制約排除了大量巨型黑洞聚集的可能性(如在第門章將要看到的，很可能所有星系
的核心都有一個質量很大的黑洞，但要解決下落不明的質量問題，在星系核外就還得有
許多巨型黑洞)。比如說，如果質量遠大于100萬M的黑洞存在于旋渦星系的暈里，即在
聚集著絕大部分可見物質的星系核球和星系盤(見第17章)之外，這種黑洞的存在將至
少會以兩種方式表現出來：第一，它們將作為引力透鏡而使遙遠恒星的像多重化；第二，
它們將使星系盤中恒星的速度增大，因而使盤變厚。然而這些現象都從未被觀測到。
另一方面，質量為100萬M的原初黑洞存在的可能性並未被排除。絕大多數星系都是
在宇宙曆史的早期形成的，其核心的黑洞也可能是原初型的，甚至有可能黑洞正是使星
系得以形成的種子。
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