第九章

超新星不是新星
宇宙天体也有新陈代谢吗？恒星也有生老病死吗？恒星的死亡会产生什么后果？根据现在的认识，天文学家们命名一些新天体为超新星。至于恒星为什么会死亡——爆炸，又会怎样产生，产生多少颗新星，只有天知道。有时候，遥望星空，你可能会惊奇地发现：在某一星区，出现了一颗从来没有见过的明亮星星！然而仅仅过了几个月甚至几天，它又渐渐消失了。这种“奇特”的星星叫做新星或者超新星。在古代又被称为“客星”，意思是这是一颗“前来作客”的恒星。新星和超新星是变星中的一个类别。人们看见它们突然出现，曾经一度以为它们是刚刚诞生的恒星，所以取名叫“新星”。其实，它们不但不是新生的星体，相反，而是正走向衰亡的老年恒星。其实，它们就是正在爆发的红巨星。我们曾经不止一次提到，当一颗恒星步入老年，它的中心会向内收缩，而外壳却朝外膨胀，形成一颗红巨星。红巨星是很不稳定的，总有一天它会猛烈地爆发，抛掉身上的外壳，露出藏在中心的白矮星或中子星来。在大爆炸中，恒星将抛射掉自己大部分的质量，同时释放出巨大的能量。这样，在短短几天内，它的光度有可能将增加几十万倍，这样的星叫“新星”。如果恒星的爆发再猛烈些，它的光度增加甚至能超过一千万倍，这样的恒星叫做“超新星”。超新星爆发的激烈程度是让人难以置信的。据说它在几天内倾泄的能量，就像一颗青年恒星在几亿年里所辐射的那样多，以致它看上去就像整个星系那样明亮！光彩夺目的超新星新星或者超新星的爆发是天体演化的重要环节。它是老年恒星辉煌的葬礼，同时又是新生恒星的推动者。超新星的爆发可能会引发附近星云中无数颗恒星的诞生。另一方面，新星和超新星爆发的灰烬，也是形成别的天体的重要材料。比如说，今天我们地球上的许多物质元素就来自那些早已消失的恒星。根据现在的认识，超新星爆发事件就是一颗大质量恒星的“暴死”。对于大质量的恒星，如质量相当于太阳质量的八至二十倍的恒星，由于质量的巨大，在它们演化的后期，星核和星壳彻底分离的时候，往往要伴随着一次超级规模的大爆炸。这种爆炸就是超新星爆发。现已证明，1572年和1604年的新星都属于超新星。在银河系和许多河外星系中都已经观测到了超新星，总数达到数百颗。可是在历史上，人们用肉眼直接观测到并记录下来的超新星，却只有六颗。恒星为什么会爆炸，超新星形成后是如何运行的？宇宙每天有多少超新星产生？这些都仍然是未解之谜。脉冲星之谜
脉冲星就是高速旋转的中子星。地球自转一周是24小时，而脉冲星自转一周只须0001337秒。可见它转得有多快唯其如此，它才能发出被人类接收到的射电脉冲，从而被人类发现。如果人类没有发明射电望远镜，这类星不是就“藏在深闺人未识”了吗？人们最早认为恒星是永远不变的。而大多数恒星的变化过程是如此地漫长，人们也根本觉察不到。然而，并不是所有的恒星都那么平静。后来人们发现，有些恒星也很“调皮”，变化多端。于是，就给那些喜欢变化的恒星起了个专门的名字，叫“变星”。脉冲星，就是变星的一种。脉冲星是在1967年首次被发现的。当时，还是一名女研究生的贝尔，发现狐狸星座有一颗星发出一种周期性的电波。经过仔细分析，科学家认为这是一种未知的天体。因为这种星体不断地发出电磁脉冲信号，人们就把它命名为脉冲星。脉冲星
脉冲星发射的射电脉冲的周期性非常有规律。一开始，人们对此很困惑，甚至曾想到这可能是外星人在向我们发电报联系。据说，第一颗脉冲星就曾被叫做“小绿人一号”。经过几位天文学家一年的努力，终于证实，脉冲星就是正在快速自转的中子星。而且，正是由于它的快速自转而发出射电脉冲。正如地球有磁场一样，恒星也有磁场；也正如地球在自转一样，恒星也都在自转着；还跟地球一样，恒星的磁场方向不一定跟自转轴在同一直线上。这样，每当恒星自转一周，它的磁场就会在空间划一个圆，而且可能扫过地球一次。那么岂不是所有恒星都能发脉冲了？其实不然，要发出像脉冲星那样的射电信号，需要很强的磁场。而只有体积越小、质量越大的恒星，它的磁场才越强。而中子星正是这样高密度的恒星。另一方面，当恒星体积越大、质量越大，它的自转周期就越长。我们很熟悉的地球自转一周要二十四小时。而脉冲星的自转周期竟然小到0001337秒！要达到这个速度，连白矮星都不行。这同样说明，只有高速旋转的中子星，才可能扮演脉冲星的角色。这个结论引起了巨大的轰动。因为虽然早在上世纪30年代，中子星就作为假说而被提了出来，但是一直没有得到证实，人们也不曾观测到中子星的存在。而且因为理论预言的中子星密度大得超出了人们的想象，在当时，人们还普遍对这个假说抱怀疑的态度。直到脉冲星被发现后，经过计算，它的脉冲强度和频率只有像中子星那样体积小、密度大、质量大的星体才能达到。这样，中子星才真正由假说成为事实。这真是上世纪天文学上的一件大事。因此，脉冲星的发现，被称为20世纪60年代的四大天文学重要发现之一。脉冲星是20世纪60年代天文的四大发现之一。至今，脉冲星已被我们找到了不少于1620多颗，并且已得知它们就是高速自转着的中子星。脉冲星有个奇异的特性——短而稳的脉冲周期。所谓脉冲就是像人的脉搏一样，一下一下出现短促的无线电讯号，如贝尔发现的第一颗脉冲星，每两个脉冲间隔时间是1337秒，其他脉冲还有短到00014秒（编号为PSR-J1748-2446）的，最长的也不过11765735秒（编号为PSR-J1841-0456）。那么，这样有规则的脉冲究竟是怎样产生的呢？脉冲星天文学家已经探测、研究得出结论，脉冲的形成是由于脉冲的高速自转。那为什么自转能形成脉冲呢？原理就像我们乘坐轮船在海里航行，看到过的灯塔一样。设想一座灯塔总是亮着且在不停地有规则运动，灯塔每转一圈，由它窗口射出的灯光就射到我们的船上一次。不断旋转，在我们看来，灯塔的光就连续地一明一灭。脉冲星也是一样，当它每自转一周，我们就接收到一次它辐射的电磁波，于是就形成一断一续的脉冲。脉冲这种现象，也就叫“灯塔效应”。脉冲的周期其实就是脉冲星的自转周期。然而灯塔的光只能从窗口射出来，是不是说脉冲星也只能从某个“窗口”射出来呢？正是这样，脉冲星就是中子星，而中子星与其他星体（如太阳）发光不一样，太阳表面到处发亮，中子星则只有两个相对着的小区域才能辐射出来，其他地方辐射是跑不出来的。即是说中子星表面只有两个亮斑，别处都是暗的。这是什么原因呢？原来，中子星本身存在着极大的磁场，强磁场把辐射封闭起来，使中子星辐射只能沿着磁轴方向，从两个磁极区出来，这两磁极区就是中子星的“窗口”。中子星的辐射从两个“窗口”出来后，在空中传播，形成两个圆锥形的辐射束。若地球刚好在这束辐射的方向上，我们就能接收到辐射，且每转一圈，这束辐射就扫过地球一次，也就形成我们接收到的有规则的脉冲信号。脉冲星灯塔模型灯塔模型是现在最为流行的脉冲星模型。另一种磁场震荡模型还没有被普遍接受。脉冲星是高速自转的中子星，但并不是所有的中子星都是脉冲星。因为当中子星的辐射束不扫过地球时，我们就接收不到脉冲信号，此时中子星就不表现为脉冲星了。太阳会消失吗？
万物生长靠太阳，太阳是人类生命的源泉。没有太阳就不会有人类，这是人类的共识。科学家说太阳还能照耀50亿年。50亿年之后呢？如果没有太阳，人类还会存在吗？难道太阳熄灭就是人类的末日吗？我们想，那时就要看那时人类的生存智慧了。太阳，每天赐给我们光明，并且从很远的地方给我们送来温暖。因为有了它，地球才充满生机。可以说，太阳是我们生命的源泉。太阳是银河系里离我们最近的恒星，这颗最近的恒星相距我们15亿千米，这样长的距离，如果是时速1400千米的超音速飞机，也要连续飞十二年才能到达；如果乘坐时速 200千米的高速列车，需要花八十六年时间，也就是说，一个婴儿坐上这趟列车的话，到达太阳时也只能安度晚年了；如果是步行，即使日夜兼程，也要走上四千年。光速是很快的，每秒即 30万千米，可以绕地球七周半，但是光从太阳那里照射到地球也需要8分19秒。太阳
如此遥远的太阳，对地球这颗行星来说却是近远适中的；如果近若金星，表面温度灼热惊人，海洋都会蒸发得滴水不剩；如果远如冥王星，只是一片冻僵的世界，无论如何也不可能成为现在的地球，不可能有生命的出现，不可能有生机盎然的世界。地球每分钟在每平方厘米的土地上能得到太阳输送的2卡路里的热量，对整个地球来说，每分钟太阳放出相当于燃烧四亿吨煤的热量。而这么多的热量，仅仅是地球表面得到的，它只占太阳辐射出的总能量的二十二亿分之一，即使是这样，这些热量也比世界的发电量高出好几万倍。在盛夏季节，炽热的太阳还是令人望而生畏，人们会想方设法来避暑。奥地利物理学家斯特凡总结出辐射和温度的关系，从而得知太阳表面温度达5500摄氏度，太阳中心可高达1500万摄氏度，真令人难以想象。英国天文学家金斯是这样说明高温的惊人程度的：如果在太阳中心取别针大小的一块放在地球上来，那么站在地球150千米远的人都不能幸免于难，他会被烧死。这样炽热的天体简直像团燃烧的火球，然而是什么东西可以旷日持久地燃烧达五十亿年呢?据科学家推测，太阳寿命约一百亿年，现在正处于中年时期，也就是说太阳光耀地照射了五十亿年，并还将一如既往地照耀五十亿年。太阳有没有伴星？
自从科学家通过先计算后观测的方法发现海王星之后，也想用这种方法去发现太阳的附近有没有新的星球，因为唯有如此，天文学中的一些矛盾现象才可以得到合理的解释。到底有没有？能不能发现呢？太阳伴星是人们假设出来的一颗红矮星或棕矮星，距离太阳50，000至100，000个天文单位，并以复仇女神的名字来命名。太阳可能存在伴星的理论最先由Richard A Muller提出，因他发现地球上出现大灭绝的时间是有周期性的，他提出每隔约两千六百万年有一次，去试图解释大灭绝的周期性。太阳
该伴星推断其公转周期为两千六百万年，在经过奥尔特云带时，干扰了彗星的轨道，使数以百万计的彗星进入内太阳系，从而增加了与地球发生碰撞的机会。现时，尚未有证据证明太阳存在伴星，也使得地球的周期性大灭绝原因受争论。Matese和Whitman则指出，周期性大灭绝的原因并不一定是太阳存在伴星，并提出可能是因为太阳系在银河系平面上下摆动，并会摄动奥尔特云，其影响与伴星存在的假设相似，但其上下摆动周期仍有待观测。在天文学上，一般把围绕一个公共重心互相作环绕运动的两颗恒星称为物理双星；把看起来靠得很近，实际上相距很远、互为独立（不作互相绕转运动）的两颗恒星称为光学双星。光学双星没有什么研究意义。物理双星是唯一能直接求得质量的恒星，是恒星世界中很普遍的现象。一般认为，双星和聚星（三至十多颗恒星组成的恒星系统）占恒星总数的一半多。太阳作为一颗较典型的恒星，它是否也有自己的伴侣——伴星呢？或者说，它是否也属于一种比较特殊的物理双星呢？近几年来，这是科学家非常关心的问题，这个问题是由地球上物种灭绝问题提起来的。太阳是双星吗天文学家曾有过太阳具有伴星的想法是很自然的事。当人们发现天王星和海王星的运行轨道与理论计算值不符合时，曾设想在外层空间可能另有一个天体的引力在干扰天王星和海王星的运动。这个天体可能是一颗未知的大行星，也可能是太阳系的另一颗恒星——太阳伴星。为了解释美国那两位古生物学家的发现，1984年，美国物理学家穆勒和他的同事共同提出了太阳存在着一颗伴星的假说。与此同时，另外的两位天体物理学者维特密利和杰克逊也独立地提出了几乎完全相同的假说。穆勒在和他的同事们讨论生物周期性灭绝的问题时说：“银河系中一半以上的恒星都属于双星系统。如果太阳也属于双星，那么我们就可以很容易解决这个问题了。我们可以说，由于太阳伴星的轨道周期性地和小行星带相交，引起流星雨袭击地球。”他的同事哈特灵机一动，说：“为什么太阳不能是双星呢？同时，假设太阳的伴星轨道与彗星云相交岂不是更合理一些？”于是，他们在当天就写出了论文的草稿。他们用希腊神话中“复仇女神”的名字，把这颗推想出来的太阳伴星称为“复仇星”。太阳前面所提到的彗星云一般称为“奥尔特云”，它是以荷兰天文学家奥尔特的名字命名的绕日运行的一团太阳系碎片，奥尔特曾认为它距离太阳15万天文单位（日地平均距离），可能是一个“彗星储库”，其中至少有一千亿颗彗星。由于太阳伴星在彗星云附近经过，使彗星运动轨道发生变化，因此引起彗星撞向地球，结果引起了生存条件的变化。穆勒说，这种彗星雨可能持续一百万年。这一观点与某些古生物学家设想物种灭绝并不是那么突如其来的意见是一致的。人们考虑到，如果太阳有伴星的话，在几千年中似乎却没有人发现过，想必它是既遥远又暗淡的天体，而且体积不大。这是很有可能的情况。因为在1982～1983年，天文学家利用红外干涉测量法，测知离太阳最近的几颗恒星都有小伴星，这种小伴星的质量仅相当于太阳质量的1／15～1／10。此外，在某些双星中，确实还有比这更小的伴星存在着。生物灭绝和行星碰撞有关？
关于地球生物大灭绝，有种种推测和假设，那么天文学家和生物学家联袂提出的这个生物灭绝和行星碰撞有关的说法是不是历史的真实呢？见仁见智，只好由未来科学去判断了。随着现代考古学的进展和放射性同位素测定年代的技术应用于考古学，人们发现，在过去的六亿年中，地球上至少发生过五次大的和几次小的生物灭绝。譬如，其中主要的有五亿年前的寒武纪灭绝，导致三叶虫类从地球上消失；248亿年前二叠纪发生的一场最大的生物灭绝，约有90％以上的海洋生物绝种；大约在6500万年前的白垩纪，地球上的庞然大物恐龙以及70％的动植物种灭绝了。引起这种大规模物种灭绝的原因是什么呢？有些科学家指出，这是由于地壳板块的漂移，形成大地震和造山运动，新的大陆和海洋出现，引起生物环境的变迁，物种因此而发生大规模灭绝。这个理论的问题在于，大陆板块漂移是较慢的，而且是不间断的，为什么物种大规模灭绝带有突发性，即似乎是“一下子”就被毁灭了呢？ 1977年，美国地理学家阿瓦兹与他的父亲——诺贝尔物理学奖获得者路易斯，提出了恐龙灭绝与白垩纪末期的陨石雨有关的假说，其中提到可能有一颗小行星碰撞地球导致恐龙灭绝。1984年，美国的两位古生物学者，对地球上物种灭绝情况作了统计分析研究，结果发现，在过去的25亿年中，生物灭绝似乎有一定的规律：约每隔2600万年出现一次灭绝高峰期。如此准确的周期性意味着什么呢？人们根据古生物学者推算出的生物灾难期，对地面大陨石坑形成年代进行了考察，发现在生物灾难期间形成的陨石坑，比其他年份多得多。有的天文学家认为，这可能是由于彗星周期性地轰击地球而引起的。因为，在银河系平面中，宇宙尘埃比较密集，当太阳带领太阳系全体成员经过此平面时，宇宙尘埃就会扰动彗星云，引起彗星轰击地球，导致生物的大规模灭绝。行星撞击导致生物灭绝“复仇星”在哪里？
太阳的伴星——人们姑且为之命名为“复仇星”，已引起了科学家认真热烈的讨论，从理论方面说，太阳应该有一个伴星，可实际上至今尚未发现。是人类现今的技术手段还不能发现它，还是根本就没有这颗星呢？人们正想尽办法寻求答案。自从太阳伴星——“复仇星”的假说公诸报端，科学家们开展了认真热烈的讨论。人们根据开普勒定律推算，若其轨道周期为两千六百万年，那么轨道的半长轴应该是地球轨道半长轴的八万八千倍，约14光年，即太阳伴星距太阳比任何已知恒星要近得多。1985年，美国学者德尔斯莫在假设“复仇星”确实存在的前提下，用一种新方法算出了这颗星的轨道。他首先对最近两千万年左右脱离奥尔特云的那些彗星进行统计、调查，对126颗这样的彗星及其运动作了统计研究，断言他的统计可靠性达95％。他确定，大多数这类彗星都作反方向运动，即几乎与太阳系所有行星运动的方向相反。根据这些彗星的冲力方向算出，在不到两千万年以前，奥尔特云从某一其他天体接受到一种引力冲量。他认为，这是由一个以每秒02或03公里速度缓慢运行的天体引起的，“复仇星是一种令人满意的解释。” 德尔斯莫根据动力学算出，“复仇星”的轨道应该与黄道几乎垂直，它目前应该接近其远日点（距太阳最远的点），而它的方向应该是离开黄极5°左右。美国学者托贝特等，计算了“复仇星”可能的轨道因星系“潮汐”——即太阳系以外的物质引力影响而产生的轨道变化。考虑到这颗星可以运行到离太阳很远的地方，很容易受到别的天体引力的影响。托贝特说，即使它原先的轨道很稳定，也不可能在从太阳系存在以来的四十六亿年中，轨道一直保持不变。许多研究者同意这样的看法：这颗轨道周期为两千六百万年的伴星的预期寿命至多为十亿年。这就意味着，它可能是在太阳形成之后很久才被太阳“俘获”的，或者就像有的科学家指出的那样：在“复仇星”刚形成时，它和太阳之间的联系要比现在紧密，其周期约为100至500万年，后来由于其他天体的引力“牵引”而外移到现在的轨道；这种外移最终会导致它脱离太阳的引力影响。为了寻找“复仇星”，穆勒等人用大型天文望远镜拍摄了大约五千张北半球暗星的照片。他计划，每隔一段时期拍摄一次，从而比较一下哪些暗星存在较大的“自行”，它们就是“复仇星”的选者了。如果他们在北半球找不出这样的星体，他们还将探查南半球天空。一般认为，太阳伴星应属于一种较小的恒星——红矮星。可是，目前人们还没有南半球天空的红矮星表，观测上的困难是很多的。穆勒说：“如果他们找到了一颗近似的星体，接下来事情就好办了。”一旦从大海里捞出了这枚针，要证明这确实是那枚针就不难了。针对太阳系的现状，有一些天文学者认为，太阳伴星由于某种原因未能形成，而形成了八大行星及其卫星、小行星和彗星等等。美国天体物理学家韦米尔和梅梯斯的研究认为，尚未发现的太阳第十颗大行星（经常写做X行星）可能是引起周期性彗星雨——生物大规模灭绝的原因。韦米尔他们是在把前人两个设想合并到一起后，创立这种新颖的解释的。这两个设想是：在冥王星轨道之外存在着X行星；以及认为在海王星之外的太阳系平面中可能有一个彗星盘或彗星带。在他们设计的一个模型中，X行星周期性地从上述彗星带近旁穿过，破坏彗星轨道，使大量彗星冲向太阳系内部。韦米尔说，这个理论的优点之一是X行星的轨道距离太阳要比“复仇星”近得多，因而将十分稳定。X行星轨道平面与太阳系平面成45°倾角，设想它每一千年沿轨道运行一周。但是它也会受到其他行星引力的牵引而引起轨道变迁，每隔两千六百万年，当其运行到接近上述彗星带时，就会触发一场彗星雨。美国科学家海尔斯综合了不规则地通过“复仇星”轨道的恒星的各种作用，估计出“复仇星”在过去的两亿五千万年中，其轨道周期的变化应为15％。鉴于此，人们认为，不管是哪种情况，在“复仇星”的可能轨道上，所有的扰动都意味着天文钟的调谐并不那么精确，而如果这颗太阳伴星确实存在的话，人们不应该期望它触发彗星雨和引起大规模物种灭绝的周期十分精确。遗憾的是，至今缺乏更好的地质资料，尤其是陨石坑方面的资料，地球上的证据的不确定因素太大，以致于无法准确地说出“复仇星”天文钟的周期性能精确到什么程度。总而言之，根据科学家们的研究推测，太阳很可能存在或有过伴星，但是要找到它、证实它，确实是一件困难的事，人们期望着科学家们早日解开这个宇宙之谜。1846年，天文学家注意到天王星以一种与牛顿第一定律相矛盾的规律偏离正常轨道“摆动”，这意味着科学家们只有两种选择：要么重写牛顿的物理定律，要么“发明”一颗新的行星来解释这种奇怪的重力拖曳现象，结果天文学家们发现了“海王星”的存在。今天，科学家们又遇到了相同的难题。路易斯安那大学的天文学家约翰·马特斯、帕特里克·威特曼和丹尼尔·威特米尔研究彗星轨道已有二十多年的历史了，他们在研究了八十二颗来自遥远的奥特星云的彗星轨道之后发现，这些彗星的运行轨道似乎都受到一个位于太阳系边缘、冥王星之外的巨型天体的引力影响，使它们的轨道都沿着一条带状分布排列，同时它们到达近日点的时间也会发生周期性变化。那么到底是什么影响了彗星的轨道呢？路易斯安那大学的科学家们提出惊人假设，他们认为最好的解释就是，在我们太阳系边缘的黑暗地带，存在着一颗以前从未为世人所知的太阳伴星——褐矮星，也就是在我们的太阳系内拥有两颗恒星：一颗是太阳，另一颗就是这颗仍未被现有太空望远镜探测到的褐矮星——它跟太阳互相绕着彼此旋转。该观点立即引发了科学界的巨大争论，但路易斯安那大学的天文学家丹尼尔·威特米尔教授认为，这个惊人的假设完全是在统计学的基础上得出的。威特米尔教授对记者道：“我们认为这是一颗褐矮星，但也可能是一颗质量是木星六倍左右的未知行星。我们之所以得出这样的结论，是因为没有任何其他理论可以解释彗星轨道的奇怪变化。”威特米尔称，如果它是一颗褐矮星的话，那么尺寸较小的它将无法像太阳那样进行核反应，它的表面将相对较冷；同时由于处在远离太阳的黑暗地带，它根本无法受到多少太阳光的照射，几乎不会有任何光线反射出来，以至于在冥王星发现后的70多年里，天文学家至今没观测到它的存在也是很正常的事。此外，路易斯安那大学的科学家们还将包括恐龙灭绝在内的地球物种灭绝都归咎于这颗神秘伴星的“作祟”，美国科学家们为此提出了“复仇女神”理论。威特米尔教授等人认为，这颗潜伏在黑暗之处的太阳伴星，可能正是给地球带来物种灭绝、包括6500万年前恐龙灭绝事件的罪魁祸首。科学家认为，这颗褐矮星的运行速度十分缓慢，它的运行轨道每隔3000万年会定时冲入彗星密集的奥特星云中，巨大的引力会将奥特星云中的一些彗星“拽”出来，将它们送往近日轨道，包括与地球擦肩而过，其中一些彗星雨则会撞到地球上，造成大规模物种灭绝。路易斯安那大学的科学家认为，地球上的物种大约每三千万年就会灭绝一次，这个灭绝周期之所以像时钟一样精确，正是因为这颗黑暗中的太阳伴星每隔3000万年就会进入奥特星云，巨大的引力使成批彗星偏离轨道冲向地球，成为“灭顶灾星”。路易斯安那大学的天文学家们测算，这颗黑暗中的星体大约在距太阳三万亿英里的地方运转——也即距离太阳有半光年左右的距离。据报道，美国NASA拟于本月25日在佛罗里达州的卡纳维拉尔角向太空发射一部新一代的红外线太空望远镜，这部红外天文望远镜一旦升空，将可以验证路易斯安那大学科学家们的惊人推断是否正确。因为如果这颗神秘太阳伴星“复仇女神”的确存在的话，那么这部新一代的红外线太空望远镜将可以捕捉到它的身影。据法新社报道称，这部望远镜耗资高达12亿美元，具有比以往天文望远镜更强大的功能，可以观测到宇宙中充满尘埃的黑暗角落，以及现有天文望远镜根本无法察觉到的黑暗星体。太阳伴星“复仇女神”黑洞和暗能量之谜在现代科技所能达到的范围内，黑洞和暗能量都是客观存在。但它们具有什么性质，以及它们的存在对宇宙探索有什么意义，都时刻搅扰着科学家驿动的心。
看不见的物质
宇宙中确有着看不见、摸不着、感觉不到的物质存在，粒子物理学家把他们命名为暗物质。可是暗物质到底是什么，是由哪些成分组成的，科学家正在探索之中。暗物质之谜宇宙间有许多物质即看不到也感觉不到，它们就是所谓的“暗物质”。暗物质在宇宙的组成中占24%。暗物质既然看不到也感觉不到，怎样才能知道它的存在和测量出它的大小呢？意大利国家实验室的科学家宣称他们探测到了暗物质的讯号。这间实验室位于亚平宁山脉主峰巨石峰之下一千四百米的隧道里，隧道长十多公里，阴潮幽暗，湿度达100%，虽然有强力通风及空调设备，仍然不免感到郁闷。DAMA（暗物质）实验小组已经在这里坚持了十年，尽管实验结果没有得到承认，但他们仍然要坚持下去。因为他们相信天文物理学家的结论，认为暗物质高达24%。暗物质是谁最先发现的呢？1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20%~30%才合适。不过，说到底暗物质究竟是什么东西，如今仍不十分清楚。理论家提出了各种各样的猜测和预言，目前流行的看法是，暗物质可能是某种或某些相互作用极弱的重粒子，在已知的粒子中，最有可能是暗物质的就是微中子。这种粒子的作用很弱，可以穿越地球，而且数量很多。按照宇宙学的理论，平均每立方厘米中约有一百个微中子，这就是说，在你身体的范围里，少说也有十万个微中子。为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。暗能量的来源人类的生存和发展离不开能量，而现今的地球能源短缺。在对宇宙的探索中发现了暗能量，这虽然是个相当困难的科研课题，只要持之以恒，问题总有解决的一天。“实际上，是核能产生了太阳能，而不是太阳能产生了核能……” 1957年诺贝尔物理学奖获得者、美国华裔科学家李政道，于2008年9月5日上午在北京人民大会堂“2006诺贝尔奖获得者北京论坛”上做报告时说道。  李政道说，64年前，即1942年12月2日，他的导师费米，成功地在美国芝加哥大学的橄榄球场地下室建立了第一个链式核反应堆。在费米的领导下，人类实现了第一个可控制核反应堆的运转。这标志着人类首次能够产生不是来自太阳能的能量。而在此前，地球上所有的能量，包括石油、煤和其他化石能量，都是由太阳能造成的；然而核能则不同。费米和他同时代的物理学家怎么会了解太阳能是核能呢，这些观念是如何产生的？李政道说，太阳发光、发热，若解太阳能之谜，必先研究光能和热能的基础科学规律。李政道列举了科学家们的一系列发现：1887年，迈克耳孙和莫雷的实验证明，光速与地球自转的方暗能量之谜向和速度无关；1900年，普朗克提出普朗克方程，给出黑体温度与其发光的光能关系，这是量子假设的开始；1904年洛伦兹创立洛伦兹坐标变换公式，建立了光传播方式的基础；1905~1925年，在光能和热能研究基础上，产生了狭义相对论和量子力学。  李政道说，了解太阳能来源之谜，人类才开始产生不是来源太阳能的能量。他说，我们感觉到的物质仅占整个宇宙能量的极少数，我们了解的能量也只占全宇宙全部能量的极少数，而全宇宙的总能量约70％是暗能量。暗物质和暗能量的存在，向全世界年轻的科学家提出了新的挑战。 李政道说，从引力场，我们知道暗物质的存在，但它是什么，不知道；暗能量更是奇怪，它是一种负的压力，在裂变和聚变反应中，反应前后物质的质量只有少量的差异。按照爱因斯坦的著名质能公式E=mc2，这些少量的质量差异能够转化为巨大的能量；暗能量可以使物质质量全部消失，完全转化为能量!  李政道说，最近几年，通过哈勃太空望远镜，人们发现我们的宇宙不仅是在膨胀而且是在“加速”膨胀。他说，两年前，他在探讨暗能量可能来源的研究中，提出一个观念是“天外有天”：因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙；而在另一项试探和解释美国高能核物理的新发现和暗能量关系的研究中，他提出的观念是“核天相连”：核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连。李政道认为，“20世纪初的大问题是太阳能的来源；21世纪初的大问题是暗能量的来源。”他说，了解暗物质和暗能量，是人类在21世纪向科学的大挑战。 李政道强调，了解宇宙能量的来源和其科学规律并不等于造福人类，亟需明智的政治家和社会学家，具备科学发展的观点。只有这样，才能达到人类的和谐，并取得可持续的良好发展。黑洞的特点
宇宙在不断膨胀，这是科学家长期观测的结果。但是科学家又发现，在这大膨胀的同时，也有反其道而行之的区域，那就是黑洞，黑洞吞蚀了它力所能及的一切。这又意味着什么呢？黑洞学说无疑是上世纪最具挑战性、也是最让人激动的天文学说之一。世界上许多国家的天文学家们都在为揭开黑洞的奥秘而不懈努力。日本天文学家日前宣布，他们在距离地球127亿光年的宇宙中成功地找到了一个巨大的黑洞。 日本航空宇宙开发机构（JAXA）近日宣布，他们通过SUBARU望远镜成功地观测到了一个巨大的黑洞，该黑洞距离地球约127亿光年，大致位于巨蟹座方向。这一黑洞是日本天文学家发现的十一个黑洞中距离地球最为遥远的一颗，也是最大的一颗，大小约为太阳的二十亿倍。日本天文学家表示，根据观测，在宇宙诞生后大约十亿年的时间里，这个巨大的黑洞就已经随之诞生了。而根据目前的天文学理论，这一点是根本无法解释的。 日本天文学家称，黑洞在天文学领域黑洞之谜一直显得非常神秘。根据广义相对论理论，引力场可以使得时空发生弯曲，当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，向某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。当恒星的半径小到一个特定值（天文学上称为“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光经都会被捕获了。在这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像是宇宙中的一个无底洞，任何物质一旦掉进去，似乎就再也不可能逃出来。 在地球上，由于引力场的作用非常小，空间弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。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，这就是黑洞的隐身术。更奇异的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其他方向发射的光也可能被附近的黑洞强引力吸引，通过折射到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还能同时看到它的侧面、甚至后背。 日本天文学家表示，与宇宙中的其它天体相比，黑洞的很多特性显得非常特殊。比如，黑洞具有神奇的“隐身术”，人们几乎无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞到底是怎样把自己隐藏起来的呢？众所周知，光是沿直线传播的，这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论理论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然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。一般来讲，天文学家们将黑洞分为两类：星状黑洞和超大质量星状黑洞。星状黑洞由质量相当于几个太阳的恒星坍缩形成，而超大质量星状黑洞的质量则可达十亿个太阳的质量。 黑洞还有另外一个更为神奇的特点，那就是它能以接近光速的速度突然喷发。虽然长久以来人们一直认为磁场在这个过程中扮演了重要角色，但部分科学家们组成的研究小组首次模拟出一个磁场排出被吸积的气体，从而产生喷发的具体过程。也许该小组的计算机模拟方法最惊人，结果发现了旋转黑洞附近的磁场在黑洞的吸积盘和远处旋转着的物质之间起到连接作用，就像一辆汽车的传动器，牢牢连接着旋转式发动机和它的轮轴。如果一个黑洞诞生时旋转得很快，就说明它的“火车头”非常强劲，而它所捕获的大量物质，会逐渐降低它的旋转速度。这些数量巨大的吸积物最后将接管整个过程，将黑洞旋转速度限制在一个上限之内。 日本天文学家们还发现，当黑洞扩散到一个定点后就将停止增长。最大的黑洞至少是太阳质量的一亿倍，宇宙黑洞模拟图它们在形成初期贪婪吞噬着周围的星体，不断膨胀，之后再吞噬着气体和灰尘，得以持续增长。但几乎所有的这些黑洞都已在数十亿年前用尽了“食物”，所以无法再继续进行扩张。另外，黑洞的增长与星体的诞生存在着密切的联系。黑洞是如何形成的？
一切结论都应来源于对资料的充分把握。和宇宙比较起来，人类的认识太贫乏了。所以目前对宇宙现象的深层思考只能是假想、猜想，对黑洞也是这样。黑洞形成之谜恒星是个气体球，由于温度很高，所以恒星对外辐射的压力很大。这种辐射压力与恒星上物质间的引力达到了平衡。这样的恒星是稳定的。目前太阳正处在这样一个平衡状态，因此太阳目前是很稳定的。但是值得指出，恒星的核燃料总有一天会耗尽。这一天到来之际，就是恒星死亡之时。恒星的能量得不到补充，温度就要下降。由于温度下降，辐射压力再也抵抗不了恒星的引力作用，恒星就会不断收缩，这种在自身引力作用下的收缩称为坍缩。牛顿的万有引力定律告诉我们，引力与质量成正比，与距离的平方成反比。由于坍缩，恒星的半径就要变小，引力增大，从而坍缩得就会更厉害。恒星被压得越来越小，密度越来越大，坍缩的速度会变得越来越快。到了最后瞬间，整颗恒星的温度剧烈上升，可达到摄氏一亿度。于是引起了一阵阵激烈的爆炸。这就是所谓的超新星大爆发。恒星被撕成碎片，成亿吨的微粒被抛向太空，发出异常明亮的光芒。在巨大恒星的急剧死亡中，那些大于三倍太阳质量的超新星残骸又会无限地坍缩下去。在强大的引力下，恒星的直径越挤越小，甚至会一下子把几百万公里直径的恒星压成了一个“点”，我们把这个点称为“奇点”。在围绕着这个点的某个范围内，引力无限大，任何东西靠近它都会被它吞掉，连光线也逃不出它的“魔掌”。也就是说，在这个范围内引力已经大到连光线也要弯折，光线再也不能从这个范围内发射出去，或者说逃逸出去。恒星终于在我们的视界中消失——黑洞形成了。这个光线不能逃逸的范围，称为“黑洞表面”，也叫作“视界”。黑洞是非常小的，要是质量像地球那么大，它的直径还不到两厘米；天文学家还相信，除了由于引力坍缩而形成的黑洞以外，还存在着一种巨型黑洞，它们可能在许多星系中潜伏着。成千上万颗恒星相互挤压碰撞，形成了巨大的坍缩天体——巨黑洞。黑洞可能将宇宙天体
全部吸掉吗？一厢情愿也好，实事求是也好，黑洞现象还在发生着，人类对此只能坐观其变，对其结果却无能为力。但宇宙的事情又有多少是我们能等到结果的呢？黑洞吸收天体之谜黑洞就像宇宙中的一个无底深渊，物质一旦掉进去，就再也逃不出来。根据我们熟悉的“矛盾”的观点，科学家们大胆地猜想到：宇宙中会不会也同时存在一种物质只出不进的“泉”呢？并给它取了个同黑洞相反的名字，叫“白洞”。科学家们猜想：白洞也有一个与黑洞类似的封闭的边界，但与黑洞不同的是，白洞内部的物质和各种辐射只能经边界向边界外部运动，而白洞外部的物质和辐射却不能进入其内部。形象地说，白洞好像一个不断向外喷射物质和能量的源泉，它向外界提供物质和能量，却不吸收外部的物质和能量。白洞到目前为止，还仅仅是科学家的猜想，还没有观察到任何能表明白洞可能存在的证据。在理论研究上也还没有重大突破。不过，最新的研究可能会得出一个令人兴奋的结论，即：“白洞”很可能就是“黑洞”本身！也就是说黑洞在这一端吸收物质，而在另一端则喷射物质，就像一个巨大的时空隧道。科学家们最近证明了黑洞其实有可能向外发射能量。而根据现代物理理论，能量和质量是可以互相转化的。这就从理论上预言了“黑洞、白洞一体化”的可能。要彻底弄清楚黑洞和白洞的奥秘，现在还为时过早。但是，科学家们每前进一点，所取得的成绩都让人激动不已。我们相信，打开宇宙之谜大门的钥匙就藏在黑洞和白洞神秘的身后。对于黑洞之间是否能将宇宙天体全部吸掉这一问题，有人说：不可能被全部吸掉。理由如下：1经观测，在太阳系边界地区有一白洞，周边有不少不同区域的星际物质，可能是由于黑洞的吸浮物的吐出。2宇宙的原子、分子等在不断进行分裂，爆炸，永远不停止产生新物质。3 黑洞的吸力也是有限定的，如果它无限地吸下去，它的体积也会增大的，体积大了，吸力就小了，从而会达成一种平衡的。黑洞会蒸发吗？
霍金是当代最伟大的科学家，他的探索和发现一直站在现代科学的前沿。但他也不知道黑洞蒸发会有什么结果。我们当然也只能等着瞧了。黑洞蒸发之谜黑洞是宇宙中最奇特和神秘的天体，是超强引力源，时空的扭曲者，其超强引力使得连宇宙中跑得最快的光都会被它拉住，而逃不出它的“魔掌”，它是在时间和空间中形成的“洞”。它在不断地吸积着周围的物质，质量增加，它是空中的“强盗”，光子的“牢笼”。它贪得无厌，永不停息地吞噬着周围的一切，这就是黑洞的经典图象。然而在1974年，史蒂芬·霍金发现了黑洞的蒸发现象，从而改变了黑洞的经典图象：黑洞已不是完全“黑”的，也不单纯是个“洞”，它既可以通过吸积物质使质量增加，也可以向外发射物质，而使质量减小。在量子力学里，真空并不意味着没有任何场、粒子或能量。量子真空是一种能量为最低的状态，它只是被称作“真空”而已，实际上能量为零的状态是不存在的。时间和能量的测不准原理解释了为什么真空不空。由于质量与能量的等价性，真空中的能量涨落就可以导致基本粒子的生成。1928年，保罗·狄拉克发现，每一种基本粒子都有一种对应的反粒子，二者质量相同，其他性质呈“镜像”对称。两者相遇，就会相互湮灭，将质量转化为能量。因此，一个粒子和它的反粒子就表示相当于它的静质量的两倍的能量，反过来，一定的能量也可以被看作是一对正反粒子。于是，由于能量涨落而躁动的量子真空就成了所谓“狄拉克海”，其中遍布着自发出现而又很快湮没的正反粒子对。在不存在任何力的量子真空里，粒子对不断地产生和消灭，所以平均而言，就没有任何粒子或反粒子真正产生或是消灭。由于这些粒子瞬时存在而不能被直接观测到，所以被称为虚粒子（可以是虚光子、虚电子、虚质子等）。其实虚粒子和实粒子并没有本质的区别，只是虚粒子没有足够的能量，存在的时间极短如果它能从外界获得能量，就可以存在足够长的时间而升格为实粒子。设想，有一电场，作用在真空上。当一对正负电子在真空中出现时，它们就会被电场沿相反的方向分离。如果电场足够强，它们就会分离的足够远，以致于不能再相互碰撞和湮灭。这时的虚粒子就成为实粒子，这时的真空就被称为是极化的。但是，真空是不容易被极化的，需要有很高的能量密度才能使虚粒子对分离和实粒子出现。而产生极化所需的能量的形式并不重要，它们可以是电能、磁能、热能、引力能等。测不准原理告诉我们，真空中到处存在着虚粒子的海洋。这种紧张的量子行为的虚粒子海洋同样也出现在黑洞事件视界周围的空间区域。由于所有形式的能量都等价于质量，所以我们当然会想到引力能也会被自发地转变成粒子。霍金发现，对于微黑洞来说，量子真空会被它周围的强引力场所极化（这一点是至关重要的），在狄拉克海里，虚粒子对在不断产生和消失，一个粒子和它的反粒子会分离一段很短的时间，于是就有四种可能性：两个伙伴重新相遇，并相互湮灭（过程Ⅰ）；反粒子被黑洞捕获，而正粒子在外部世界显形（过程Ⅱ）；正粒子被捕获而反粒子逃出（过程Ⅲ）；双双落入黑洞（过程Ⅳ）。霍金计算了这些过程发生的几率，结果发现过程Ⅱ最为常见。由于有倾向地捕获反粒子，黑洞自发地损失了能量，也就是损失了质量。由于微黑洞的尺度与基本粒子相当，能量的“跃迁”可能足以使粒子运动一段大于视界半径的距离，其结果就是粒子逃出，在外部观测者看来，黑洞在蒸发，即发出粒子流。其实粒子并没有真的跳过视界“墙”，而是从一个由测不准原理短暂地打通的“遂道”穿过。这样的过程反反复复在黑洞视界的周围发生，从而，形成一股不断的辐射流，黑洞发光了。霍金的计算表明，黑洞的蒸发辐射具有黑体的所有特征。它赋予了黑洞一个真实的，在整个视界上同一的，直接由视界处的引力场强度来决定的温度。对史瓦西黑洞来说，温度与质量成反比。质量与太阳一样的黑洞，其温度是微不足道的，开氏（即绝对零度以上）十的负七次方度。不是零，但小的可怜；黑洞并不是完全的黑，但一点也不亮。很遗憾，这样低温的辐射实在太微弱了，是不可能在实验室中探测出来的。霍金的计算还有一个重要发现：黑洞的质量越小，温度越高，辐射也越强。显然，蒸发只有对微型黑洞来说才有特别的影响，而微型黑洞的温度是很高的。在黑洞中，质量越大的黑洞，温度越低，蒸发得越慢；质量越小的黑洞，温度越高，蒸发得也越快。对于微黑洞来说，温度非常之高，可达千万开甚至上亿开，随着蒸发的加剧，质量丢失的很快，温度会迅猛地上升，随着温度上升的加快，质量丢失的就更厉害，这中过程会以疯狂的形式演变，最终黑洞被摧毁，以猛烈的爆发而告终，所有粒子都得到了大赦（对巨型黑洞来说发射粒子的过程十分缓慢，相当于蒸发；而对微黑洞来说，发射粒子的过程十分迅猛，相当于爆发）。对于星系中心的巨型黑洞来说，其蒸发的过程将远远超出宇宙的年龄，假定宇宙有足够长的寿命，并且不回缩，那么这类黑洞最终也还是要蒸发掉。不过这类黑洞目前还是吸积远大于蒸发，以吸积为主。只有当宇宙后来的温度降到比这类黑洞的温度还低时，它们才开始以蒸发为主。然而这个过程太慢长了，等到它们开始蒸发，也将远远超出宇宙的年龄，而它们要蒸发完毕，大约要十的九十九次方年！黑洞蒸发的最后结果目前还不得而知。也许有人会认为视界消失后会留下一个裸露的中心奇点，但这是经典的看法，可能是错误的。如果它由辐射自己的质量而完全蒸发掉，应该说时空就会成为平直。