死亡的恒星和黑洞
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死亡的恒星和黑洞
埋葬在太空：恒星之死
恒星的诞生和死亡为新的生命创造了空间，但也为随恒星死亡而产生的黑洞创造了空间。一切都在空间中简单地联系在一起。地外空间中的死亡让人恐惧又着迷。
几年前，我在美国参加了一个为天文学家米勒·戈斯（Miller Goss）庆贺的研讨会。在新墨西哥州寂静的索科罗小镇（Socorro）上，他建立了美国最大和最成功的两组射电干涉仪：甚大阵（VLA）和甚长基线阵（VLBA）。但更重要的是，他培养了许多年轻的科学家，我也在其中。来自世界各地的同事们都来向他致敬。研讨会结束时，他还组织了一次实地考察，去一个他最喜欢的地方。我们驱车前往著名的查科峡谷（Chaco Canyon）。在第一个千禧年前后，印第安人在那里建造了令人印象深刻的黏土建筑。在这些村落的一端是一个被墙围起来的小角落。一位大胡子的公园管理员称，这里是古代的观天者曾经坐过的地方。
我想象着一个老印第安人每天晚上一动不动地坐在这个地方，跟着恒星的轨迹，直到早晨在黑暗中醒来。当黎明时分，第一缕阳光透过曙色照射在他的身上，对他来说，这永远是一个振奋人心的时刻。破晓是他生活中的一个重要日常仪式。也许是对地球和自然的继续存在感到欣慰的时刻。也是一个无声的象征，代表着时间的进程。也许这也是一个喜悦的时刻，因为生命在继续。光明来了，太阳温暖了大地，鸟儿骚动，稀疏的植物开始生长。
对印第安人来说，峡谷就是日历。他们可以瞄准峭壁上的日出，追踪它的轨迹，从而确定一年中的确切日期。其原理在于随着地球围绕太阳的旋转，太阳的升起点在秋天向南移，在春天向北移。
早在克里斯托弗·哥伦布到达新大陆很久之前，这位老人就已经在这里观星了。他还察觉到了别的东西。因为大约一千年前，发生了一件不寻常的事情。这个地方附近的一幅岩画描绘的可能就是这个极其罕见的天文事件：出现了一个异常明亮的天体，它的光芒极其强烈，甚至可以在白天看到它。
1054年夏天，世界各地的人们在惊讶中仰望着天空。有些人可能担心会有可怕的灾难。中国古代宋朝的天文学家在他们的编年史中详细记录了这种宇宙奇观。他们在记录中报告说，有一颗“客星”在苍穹中像金星一样明亮地闪耀。一位阿拉伯医生甚至写到，出现了一颗新星。
此外，在欧洲，人们或许也对下午主导天空的“亮盘”感到惊奇。不过，欧洲这边的相关历史记录并不是非常明确。是什么现象如此摄人心魄，以至于整个世界的人都不约而同地对它做了记录？
那是一颗超新星，一次巨大的恒星爆炸[82]。它发生在银河系中离我们6000光年距离的地方。老印第安人曾经歇息过的峡谷里的岩画中，在淡黄色的岩石上用红色颜料画了一弯新月。在它旁边有一颗圆形大星，周围有典型的射线——就像孩子画的那样。它几乎和月亮一样大。公园管理员告诉我们，当时的原住民艺术家就是这样描绘超新星的。我们的天文学家小队并不完全相信这一点。专家们就这幅画是否代表著名的1054年超新星展开了争论[83]。但要说这样一个不寻常的事件完全没有被注意到，我认为这也是不可能的。
你可以把一颗恒星想象成差不多是热气球的样子。其中心的热量使其膨胀。一旦燃料用尽，气体就会冷却，压力会下降，气球就会缩小。这也是恒星的结局。一旦它们的燃料烧光，它们就会坍缩。如何以及何时“死亡”，取决于它们的质量。恒星中的绝大多数都是质量较轻的。这类恒星会经历漫长的生命，并在之后发光并燃烧起来。
我们的太阳具有中等长度的生命。当它开始向内坍缩的时候，依然可以启动其“后燃器”。在恒星的中心，核聚变的“灰烬”堆在一起，形成炽热的氦核。爆缩的恒星的内部压力很高，在高压的作用下，其温度再次上升。氦融合成碳，释放出最后的能量储备，把恒星的“外皮”吹得膨胀起来。在其消亡前不久，太阳会膨胀变大，变成红巨星，并吞下水星、金星，可能还有地球。
质量大于太阳的恒星在最后的喘息中把气体和等离子体喷入太空，从而形成了行星状星云（planetary nebula）。它们在被其内部的垂死恒星照亮时，显示出奇妙的形状和颜色。这种景象在宇宙层级上堪称转瞬即逝；几千年后，这些行星状星云就会消散。它们的名字有些误导，因为它们和行星没什么关系。只是因为在18世纪，用当时的望远镜发现它们时，它们看起来像遥远的气态行星。
行星状星云的中心是压缩的核聚变灰烬，燃烧殆尽的恒星的全部质量都压在它上面。这种压力变得如此之大，以至于原子被挤压在一起，直到在某一时刻再也没有任何富余的空间，原子只能“并肩站立”。然后，电子简并压力会阻止恒星进一步坍缩。围绕恒星中心的各个原子的原子核运行的电子被称为费米子。它们是物理学意义上的独行侠，不能与任何其他费米子同床共枕。如果周围变得过于拥挤，它们会抵抗引力的压力，防止燃烧殆尽的恒星核心完全坍缩。
一旦恒星的外层被抛出，剩下的就是微小、致密而明亮的碳核心。这种和地球差不多大但和太阳一样重的天体叫作白矮星。我们的太阳在几十亿年后也将成为白矮星。仅仅一茶匙的白矮星物质质量可达9吨，相当于一辆卡车。白矮星的表面仍然非常热，并在很长一段时间内继续向太空辐射热能，然后这颗死亡的恒星最终成为一块寒冷、浑圆的碳晶体，也就是太空中的一颗巨大钻石。
在这个过程中发挥作用的有数种量子力学效应，它们是由印度物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）计算出来的。1930年，年仅19岁的他乘船前往英国，计划在剑桥继续他在印度开始的物理学研究。在越洋旅行期间，他有充足的时间，因而计算了白矮星能达到的最大质量，得出的数值是1.44个太阳质量。
但是，如果一颗恒星比我们的太阳大得多、重得多，而且压力真的增加到无法承受的地步，会发生什么呢？一颗比太阳重8倍以上的恒星会点燃更多的“后燃器”以防止坍缩。看呐，巨型太阳的内核在燃烧。它像洋葱一样，一层又一层地烧掉。离中心越近的壳层温度就越高，并且将周围的上一壳层留下的灰烬烧成越来越重的原子核。每烧掉一层都有另一波能量储备被释放。氢变成氦，氦变成碳，碳和氦变成氧，氧变成硅，而硅变成铁。每一个燃烧过程都比前一个过程进行得更快。将氦燃烧成碳需要100万年，但将所有的硅聚变成铁只需要几天时间。
然后就结束了！铁具有自然界中能量最密集的原子核。一旦压力大到能让铁聚变成新的元素，这时的这种过程就不再释放新的能量，反而是需要能量。突然间，简单地增加压力并从原子中榨取越来越多的能量的技巧不再起作用了。原子在此时起到的主要作用不再是加热，而是冷却。压力不再增加，而是下降。老朽的恒星那最后一条颤颤巍巍的腿被打掉了。它瘫倒，死去。垂死的恒星无法再抵抗其自身的引力，在几分钟内，其核心就会爆缩。
恒星“遗体”的内部压力增长到难以想象的地步，甚至是已经密集排布在一起的原子也被压碎。原因在于，这一类恒星的核心比钱德拉塞卡为白矮星计算的质量上限还要重。然而，在不可逆转的永恒崩溃之前，还有最后一站。平常情况下羞于彼此接触的电子躲入原子核中，并与质子融合，形成中子。原子的外部壳层消失在原子核里，剩下的部分是以前的原子的万分之一。
如果想象一个原子的电子外壳和莱茵能源球场大小相仿，可供我最喜欢但有时失利的科隆足球俱乐部（1. FC Köln）在其中比赛，那么原子核就只有放在开球点上的五分钱硬币那么大。所以我们所知道的由原子构成的物质通常是相当空的。如果恒星中的原子变成了纯中子，那么它就会缩成一颗中子星。恒星的坍缩就像把整个体育场挤进一枚小硬币。在一颗中子星中，比整个太阳质量的1.5倍还多的物质聚成一个直径只有24千米的球体。中子星的密度高得离谱。5毫升的中子星物质将重达25亿吨，8000倍科隆大教堂的质量放在了一个茶匙里。
在很长一段时间里，中子星不过是疯狂的猜测，直到1967年11月28日乔斯林·贝尔和她的博士生导师安东尼·休伊什（Antony Hewish）改写了历史。他们用剑桥的玛拉德射电天文台发现了一个奇怪的无线电信号。许多短脉冲以精确的时间间隔到达地球。就像一个在太空中滴答作响的时钟。这种天体因此被称为脉冲星。起初，两位研究人员对信号的这种精确性有些不解，并半开玩笑地将这个发射无线电信号的对象命名为“LGM”，意为“小绿人”，即外星人。很快，他们认识到，自己发现的是一个异常小、异常沉重的天体，它正以异常高的速度自转。它实际上是一颗中子星——一颗和太阳一样重、和巴伐利亚州的古代小行星撞击坑诺德林巨坑（Nördlinger Ries）一样大的死亡的恒星。不是每颗中子星都会变成脉冲星，但每颗脉冲星都是中子星。脉冲星就像一座宇宙灯塔，不断地向太空发出射电辐射。它发出的锥形光束以固定的时间间隔到达我们这里，并引起天空中的射电闪烁。由于该天体是如此稳定和沉重，它的功能就像一个巨大的平衡摆轮。它的走时比任何原子钟都要准确。由于脉冲星具有非凡的稳定性和一致性，因此可以用来进行许多对相对论的测试[84]。一个著名的例子是双脉冲星PSR J0737-303929[85]。它是一对互相绕行的脉冲星。我们在水星轨道上已经见到过椭圆的进动，其解码曾让爱因斯坦的心跳加速。在这里，这种现象的速度快10000倍，并且已经被精确计算到小数点后5位。
中子星的形成非常壮观，发生在质量为太阳8倍以上的恒星上。这样一个超级太阳的死亡方式比我们自己的恒星更恢宏。超级太阳的烧毁，仿佛上演星系级的烟花秀。在其坍缩质量的压力下，其中心突然诞生新的中子星，但同时，恒星的其他部分以超音速内爆。在恒星的核区，电子和质子突然融合，释放出大量的中微子，这使得更多的能量积蓄在恒星的外部壳层。最后，灾难性的冲击波向外滚过整个恒星，把它永远地撕裂。天文学家把这样的星系级大爆炸称为超新星。它闪耀在宇宙中，呈现出令人难忘的景象。让查科峡谷的印第安人和一千年前世界各地的许多其他天空观察者感到惊讶的，大概正是这样的景象。
让我们试着想象一颗超新星：在几分之一秒的时间里，它的巨大爆炸所释放出的能量比太阳在其整个生命中产生的能量还要多。然而，所有这些光线需要几周的时间才能钻过不断扩大的恒星外部壳层。这就是为什么有时候可以在超新星爆发后几个月内一直观测到它。在极端的温度和压力下，比铁更重的其他新元素形成了。恒星碎片云裹挟着钴、镍、铜或锌等新元素，一起被抛入太空。其气体温度高达数百万度，甚至仍有燃烧的余火。
这些星际冲击波以每秒数万千米的速度在太空中飞驰。它们呈球状散开，并且是强大的宇宙粒子加速器。一些原子核被加速到接近光速，沿着星际空间中湍动的磁场在银河系游荡。其中极少一部分携带巨大的能量扑向地球，成为宇宙线的一部分。
这些激波的锋面是可观测的。2009年，我以前的一个学生在我们邻近的星系M82中发现了一个新的射电源[86]。果然，我们看到了一个明亮的射电环，它以每秒12000千米的速度扩张了几个月[87]。从它的速度和大小来看，我们可以推断出对应的恒星在一年前就已经爆炸了。它就是我们曾探测到的超新星2008iz。这颗超新星隐藏在一片广阔的尘埃云后面，这就是为什么所有其他望远镜一直未曾发现它的踪影。这样的宇宙大戏往往只出现在科幻电影或枯燥的学术文献中，能够亲自发现并亲眼见证它是非常令人兴奋的。
甚至今天仍然可以看到1054年明亮的超新星的遗迹。它留下了壮观的蟹状星云。这个位于银河系英仙臂中的天体看起来像一块五彩缤纷的烟雾，却证明了古老的记录不是童话。
据估计，在我们的银河系中，每千年只有20颗超新星。1572年11月11日，第谷·布拉赫和他的妹妹索菲一起在惊叹中看到了其中的一颗。由于他们认为这一事件是一颗新星的诞生，他们创造了这个名字“stella nova”，意为“新星”。1604年，约翰内斯·开普勒也描述了一颗超新星。由于没有观测到任何视差，这意味着这种光不是来自我们的大气层，而是至少来自月球之外。亚里士多德的宇宙模型宣称恒星所在的天体球层是永恒不变的，而这颗超新星无疑又给装殓这套理论的棺材打上了一颗钉子。
今天，天文学家每时每刻都在发现新的超新星。它们都在遥远的地方，在其他星系。但一颗新的银河系内超新星也可能在任意一天里出现在我们的天空，能让我们用肉眼看到。实际上，再一次发生超新星的时间该到了，但是，也有可能是再过一百年。
即使是相当接近的超新星，对人类也没有危险。事实上，从宏大的角度说，我们的地球和地球上的生命的形成还要归功于这种恒星爆发。因为在其生命的最后阶段，恒星以越来越短的周期制造重要的元素。超新星爆发将它们甩入太空。它们聚集成庞大的尘埃云。随后，随着下一代恒星的诞生，它们可以再次形成新的恒星和行星。我们地球上的所有重要元素都是这样来的。因此，如果没有恒星的死亡，就不会有生命，甚至不会有金门大桥美丽的红色。红色涂料中含有氧化铁，而形成铁的最初源头是超新星爆炸。因此，我们应该好好感谢死亡的恒星。
黑洞形成
有的恒星的质量太大，甚至不能形成中子星。假设你有一位严重超重的阿尔弗雷德叔叔，你的客厅里总是为他保留一把格外结实的椅子。自从他有一次坐在廉价的塑料折叠椅上并随即倒下后，大家总是为他准备这把坚实的木椅。安全总比遗憾好！但即使是最坚固的椅子也有承重限制。如果阿尔弗雷德叔叔带着他的马戏团大象一起坐在木椅上，那张特制的椅子也会倒塌。
在天体物理学中，白矮星是廉价的塑料椅子，而中子星是坚固的木椅。它们可以承受很大的质量，但它们的承受力不是无限的，因为恒星中有真正的“大象”。这个发现要感谢包括美国原子弹之父罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer），以及他的同事和学生等所有人的洞察力。他们在第二次世界大战前不久证明，中子星也存在质量上限，就像钱德拉塞卡证明白矮星并非具有无限的可压缩性一样[88]。根据现在的计算，中子星的这个最大质量是太阳质量的2到3倍多一点。
太空中的恒星“大象”是质量超过25倍太阳质量的恒星。当这些恒星爆炸时，它们的大部分质量飞向太空，其核心部分首先形成白矮星，之后演化为中子星。在核内，越来越多的物质向中心坠落，因此，即使是中子星最终也会坍缩。宇宙中没有任何已知的力可以抵御如此沉重的恒星的自重。这个结局是无法阻挡的。恒星无休止地缩成一团，变得越来越小，直到最后所有的质量都集中在一个无限密集的点上。现在，宇宙中最奇怪的实体已经问世。这就是黑洞。当然，在奥本海默的时代它并不叫这个名字。
阿尔伯特·爱因斯坦本人也被这种想法吓到了。德国天文学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）在爱因斯坦提出相对论后仅几个月就已经计算出了质量缩减为一点的时空结构，其结果令人烦恼至极。
史瓦西是现代天体物理学的先驱。在1914年第一次世界大战爆发时，他担任波茨坦天体物理天文台的台长。爱丁顿是和平主义者和爱因斯坦的崇拜者，而史瓦西这位出身于犹太上层中产阶级的德国物理学家却与爱丁顿不同，自愿前往德国炮兵部队服役，为国效力。这个决定是悲剧性的。两年后，他在前线得了重病并去世。
尽管如此，史瓦西还是在战争期间写下了两篇世界级的科学论文[89]。在其中一篇里，他计算了围绕一个点质量的时空的曲率。这样一来，史瓦西是第一个在具体案例中计算出广义相对论方程的精确结果的人[90]。他自豪地把论文寄给了惊讶的爱因斯坦。爱因斯坦在回信中说“我没有想到，问题的严格解可以用如此简单的方式得到”，并在下一次普鲁士科学院的会议上介绍了这些结果[91]。
在史瓦西的解中，所有的质量都集中在一个点上[92]，但空间本身在这一点上似乎是向一个方向无限延伸的，空间的曲率在这里变得无限大。在这一小部分有限的空间里忽然出现了无限的空间。方程显示了一个奇点，在这一类的点上方程的解急剧变化，跳入无限大，一切都停了下来。按照物理学家的认识，奇点并不是现实；相反，它们表明方程中仍然缺少一些东西。对爱因斯坦来说，那么就很清楚了：点质量不存在。这是一个纯粹的数学噱头，尽管是一个有趣的噱头。
但令爱因斯坦和其他科学家不舒服的是，在中心奇点之外一段距离的地方，方程中发生了一些奇怪的事情。这个距离是：
这个距离现在被称为史瓦西半径。其中M是物体的质量，c=299792.458km/s是光速，G=6.6743×10-11m3/kg/s2是引力常数。
那里出大事了。方程的表现像是发了疯。当达到史瓦西半径时，时间似乎停止了。而一旦进入到史瓦西半径以内，你就不再是在空间中旅行，而是在某种意义上的时间中旅行。
在我们的正常生活中，我可以安静地坐在公园的长椅上。我稳稳地坐在空间里的一点上，但时间却不可阻挡地继续。在史瓦西半径内的空间里，我在时间上保持静止，但空间却势不可挡地将我拉向中心奇点。每一次向前移动的尝试只会让我更接近中心。
这太奇怪了。看起来，从内向外穿越史瓦西半径是不可能的。这个空间有进无出。任何东西一旦进入史瓦西半径就无法逃脱，不论物质还是光都不行，因此也没有信息和能量能够逃脱。人们花了相当长的时间才明白那里究竟发生了什么。史瓦西在不知情的情况下，在第一次世界大战中黑暗战壕里描述了一个黑洞。
但实际上在很久以前，人们就很清楚，在点质量的周围，必然会出一些问题。即使在开普勒和牛顿的简单的行星运动理论中，这一点不是也很清楚吗？离太阳越近，就越快地围绕着它移动。如果太阳是无限小的，一颗行星就必须以光速在半径只有3千米的狭窄路径上围绕它运行。如果再往里走，行星的速度甚至比光速还要快。但这是不可能的！
在点质量的周围，引力也会变得太大。压缩在空间内的质量越大，其引力就越大，就越难挣脱。如果想逃离地球的引力，你必须向太空发射一枚速度达每秒11.2千米的火箭。然而，在更重的太阳表面，你将需要每秒617千米的速度。如果太阳被进一步压缩，表面的逃逸速度将继续增加，直到在某个时刻，人们必须以比光速更快的速度逃逸。这时，按照牛顿的理论，即使是光也将不再能够逃脱，而是无助地落回到恒星上。然而，在爱因斯坦的理论中，在黑洞的边缘，即使你有光的速度，也不能再向前移动分毫！
早在1873年，在没有任何相对论概念的情况下，牧师约翰·米歇尔（John Michell）就已经注意到，如果一颗恒星具有巨大的引力，并且逃逸速度大于光速，那这样的事情就必然存在。这样的“暗星”必须是不可见的，因为没有光可以逃离它，即使它存在并且会出现在空间的某一坐标上。
在爱因斯坦的理论中，黑洞周围的空间就像一条汹涌的河流[93]，在史瓦西半径处以瀑布的形式结束。光就像这条空间河流中的游泳者。在远离边缘的地方，它仍然可以灵活地逆流而上。离瀑布越近，水流越大，它就不得不越游越快。但是，在某一刻，即使是世界游泳冠军也无法逃脱湍急的水流，只能被冲走。一旦你从悬崖边上掉落，就太晚了。没有人能够成功地游上瀑布。完全相同的事情也发生在史瓦西半径。过了这一点就没有回头路了，即使是呼救声也没人能听到。即使是光也要随着空间一起被吸入深处。
1956年，物理学家沃尔夫冈·林德勒（Wolfgang Rindler）为这种不可思议的边界创造了“事件视界”（event horizon）[94]一词。事件视界既不能被触摸到，也不能被感觉到。它只是空旷空间中的一种边缘，是一个数学定义，却也是一条分界线。
如果为太阳计算其史瓦西半径，会得到一个3千米的数值；对于地球，计算结果为0.9厘米；而对于你我这样的人类，是一个原子核的千亿分之一。
爱因斯坦确信，史瓦西半径内的区域是不具物理性的——它们只是纯粹的幻想，纯粹的数学。自然界一定会确保这种物体根本不能产生。因此，在1939年，他发表了一篇论文，试图在他的相对论的帮助下，证明这种“暗星”并不存在。他胜利地总结道：“这项研究的基本结果是对‘史瓦西奇点’在物理现实中不存在的原因有了清晰的认识。”这无非表明，黑洞不存在[95]。
然而，爱因斯坦的文章忽略了关键的一点。事实上，和爱因斯坦发表论文差不多同时，奥本海默和他的同事们证明，恒星很可能坍缩成一个点[96]。如果它们足够重，坍缩是无法阻止的。
这再次揭示了相对论的非凡特性。恒星坍缩时人们会看到什么，严重依赖于他们的位置。在望远镜上仔细观察这一现象的观测者会看到恒星爆缩并消失在一个黑洞里。事件视界出现，所有向它接近的东西都变得越来越暗淡、越来越缓慢。每个光波都被无限地拉长，当它到达边缘的时候，就不再是可测量的了。时间变成了黏稠的糖浆，似乎停止了。如果我们把光波看作是时钟，它们就像空间一样被拉长了。时钟的滴答声越来越慢，最终停止。
另一方面，对于一个坐在坍缩恒星表面的大胆的观察者来说，除了自己坠入死亡的深渊之外，没有什么特别的事情发生。与所有其他粒子一起，他落入恒星的中心。当他通过事件视界时，他没有注意到任何不寻常的东西，甚至没有注意到自己越过了事件视界。对他来说，黑洞是面前的一个大黑点，甚至在黑洞内部也如此。他的时间也照常进行，直到在某个时刻，在一毫秒的时间内，他被挤压成恒星中心的一个点。他发出的光也随之落入。然而，在恒星级黑洞的情况下，即使这种乐趣也是极其有限的。因为这位勇士的脚比他的头更接近质心，所以它们受到的引力比他的头受到的更强。勇士被拉成了面条，而且还变成了碎片。
所有物理学家都对思考这种情况感到乐在其中，虽然故事里有个倒霉蛋。在很长一段时间里，这一类天体被称为“冰冻星”，因为时间在它们的边缘静止了。但这并不完全正确。严格来说，时间的静止只适用于永恒不变的黑洞的边缘。如果它因为吞噬了物质而增长，那么它的事件视界也会变大一点，并将落入其中的“冰冻”物质蒸熟。
“黑洞”（black hole）一词首次出现在记者安·尤因（Ann Ewing）在1964年的一篇报道中[97]。约翰·阿奇博尔德·惠勒在1967年的一次会议上借用了这个词，“黑洞”一词从此确定。自得到命名起，黑洞就吸引着所有人，不论他们是外行还是专家。看来，文字在物理学中也很重要。美国人确实懂市场营销。今天，没有人会有兴趣买一本书是关于“引力完全坍缩的天体”的第一张照片。
不过，黑洞还可以旋转。1963年，新西兰数学家罗伊·克尔（Roy Kerr）发现了爱因斯坦场方程的一个精确解，描述了这类对象周围的时空[98]。当旋转的物质落入黑洞时，角动量是守恒的。然后黑洞带动空间随之旋转，就像漩涡带动水一起旋转一样。而就像船被漩涡抓住并被拉入深处一样，旋转的空间会迫使一定距离内的物质甚至是光随其移动。
另一方面，原则上可以借助涡旋区的入射磁场，再次从黑洞中提取转动能[99]。旋转黑洞内部的奇点是一个具有疯狂属性的环。在数学上，人们可以绕过它，从一个时间点出发，在完全相同的时刻到达。
黑洞只由非常大的恒星产生。这些恒星的寿命并不长，也许只有几百万年。巨型恒星在形成后不久就会发生爆炸。在形成年轻恒星的地方，很快也会产生恒星黑洞。(https://www.daowen.com)
此刻在我们的银河系中估计有1亿颗这样的黑洞。它们在数千光年之外，而且太小，无法被拍到。有时它们会作为明亮的X射线源在天空中闪耀。这时，它们其实是在从围绕它们运行的邻星中吸走物质。这类组合被称为X射线双星。在现实中，这是一颗恒星和一颗恒星的尸体互相围绕着对方运行，其中那只黑洞僵尸一口一口地吞噬着它的伙伴。
在银河系的中心
2016年6月，我坐在一座广阔的台山上。那就是纳米比亚的加姆斯山（Gamsberg），我们打算在那里建造一台新的射电望远镜[100]。此时，因为缺乏资金，这里仍然只有几座小木屋。但不妨在此眺望，看看四周动人心魄的景色。在我脚下，石质的、五颜六色的沙漠从各个方向伸到地平线；在我头上，夕阳将几乎万里无云的天空笼罩在一片深红之中。沙子和太阳的色彩游戏慢慢消失，令我目眩。还有任何比这更美的时刻吗？我在凝视天空时从来都不是淡漠无情的。我始终深陷其中。
在非洲南部、离最近的定居点也颇远的所在，当夜晚晴朗干燥时，星空就像巨大的彩绘穹顶，悬在我的头上。银河的璀璨光芒在太空的黑暗中脱颖而出。向这条明亮的带子一瞥，一眼便是10万光年。无数的星星交织成一片光亮的薄纱，横亘整个天空。天空中的黑点使它看起来有种我所不熟悉的柔韧性，我不记得在北半球时见过这样的情景。这些黑点是星际尘埃云，它们是年轻恒星、行星和黑洞的温床。我可以用肉眼看到这些温床。我的正上方是银河的核心区域。在其中心的某个地方隐藏着“我的”黑洞。在晴朗的星空下，它似乎近得可以触摸。但我只能猜测它到底在哪里，因为我们的星系家园中的黑暗尘埃云挡住了我投向其心脏的视线。银河如此美丽，我们却难以完全理解它——因为我们是它的一部分，不仅是观察者，也是这个宇宙岛屿的居住者。
继月球之后，银河是夜空中最引人注目的形态。它闪耀着如此明亮和清晰的光芒。传说中，它引导使徒大雅各前往圣地亚哥-德孔波斯特拉（Santiago de Compostela）。今天我们在沿着漫长的圣雅各之路（Camino de Santiago）朝圣时使用的是GPS，但至少屎壳郎在从粪堆中滚走粪球的时候还在用银河来定位[101]。然而，这条白色的带子一定是激发第一批狩猎采集者的感情和思想的源泉。
西方世界中表示“银河”的词语起源自古典时期。在希腊神话中，宙斯将儿子赫拉克勒斯放在沉睡的妻子赫拉的胸前。但女神从孩子剧烈的吸吮中醒来，推开了赫拉克勒斯。在这个过程中，她的乳汁散布在苍穹之上——银河诞生了。在希腊语中，这些散落的乳汁被称为Galaxias，这就是星系（galaxy）一词的来源。银河系由数以千亿计的恒星组成。空间中的其他“银河系”则被称为星系。自然学家亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt）称它们为“宇宙岛”（Welteninseln），直译为“岛屿世界”——对我来说，这个词看起来比“牛奶路”美多了。
公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特推断，银河的光芒只能来自许多单个恒星的集中闪光。近两千年后，当伽利略用他的望远镜观察银河系时，他意识到德谟克利特是正确的。伊曼纽尔·康德（Immanuel Kant）在18世纪写道，银河系的排列形态必须像一个圆盘，其恒星大致位于一个平面上。
大约在同一时间，法国天文学家夏尔·梅西叶（Charles Messier）在巴黎市中心的克吕尼酒店（Hôtel de Cluny）追猎彗星。这座酒店现在是国立中世纪博物馆。在这个过程中，他在天空中发现了许多奇怪的星云，它们显然不是彗星，也没有移动。这些星云是什么，梅西叶无法回答，但是他对它们进行了记录和编号。他把110个这样的弥散的星体总结为星表。现在这份星表以他命名。
这些梅西叶天体今天仍然是业余天文学家追逐的热门目标。它们以梅西叶的姓氏首字母“M”和星表编号作为缩写。M1是蟹状星云，由1054年的超新星产生。武仙大星团M13是北半天球中最明亮的球状星团，距离为22000光年，数十万颗古老的恒星在那里的直径为150光年的范围内相互绕行。M42叫作猎户大星云，是恒星诞生的地方。
所有这些天体都是我们银河系的一部分。它充满了美丽的结构和形态。但并不是所有梅西叶星表中的天体都是我们这个宇宙岛的一部分。M31是仙女座星系，是紧挨着我们银河系的孪生姊妹，距离250万光年。过去它曾被叫“仙女座大星云”。而M87，也叫室女座A，位于室女座，是一个拥有几万亿颗恒星的怪兽星系。我们要拍摄的巨型黑洞在这个星系的中心。不过，梅西叶还不知道这一切。对他来说，编制一份有用的清单才是最重要的，这样就不会有人将这些模糊的斑点误认为是彗星了。
在18世纪末，威廉·赫歇尔（William Herschel）进一步搞清了银河系的真实尺寸。赫歇尔是一位业余天文学家，他靠音乐谋生，创作交响曲和赋格曲，但他真正热爱的是星星。常与他一起观星的是妹妹卡罗琳。卡罗琳是一位歌手，也是一位有天赋的天文学家。
尽管是自学成才，但出生于德国的赫歇尔已经赢得了反射式望远镜最佳设计师之一的声誉。他亲手铸造了这些镜片，其中一些的口径超过了一米。赫歇尔为整个欧洲的探险家和贵族提供望远镜，甚至向中国寄了一台。不过，他最中意的还是使用自己最大的作品亲自探索星空。这台望远镜的口径有1.2米，悬挂在一个巨大的木质结构上，用滑轮移动。
赫歇尔的父亲是一位军旅乐师。当父亲被派往英国时，他也随着父亲搬到了那里。在这里，出生在汉诺威的赫歇尔兄妹数着星星，并扩大了夏尔·梅西叶的星表。赫歇尔兄妹发现，梅西叶描述的一些星云实际上是由单个恒星组成的。1785年，两人发表了一张有50000颗星的银河图。图片中约略是椭圆形的银河与现实的条带形态几乎毫不相干，但这更多是由于他们俩使用的方法而不是数据。在赫歇尔的图片中，我们的太阳仍然大致位于银河系的中心。正如我们今天所知，这是错误的。
进入20世纪时，对银河系的研究已经使人们可以以惊人的精度描绘它了。天文学家的假设是，银河系是一个直径约为10万光年的扁平圆盘，其在垂直方向的延展范围约为4000光年。不过，那时的多数科学家仍然认为太阳在银河的中心。
下一步进展发生在20世纪初，来自荷兰人雅各布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn）。他那时只有27岁，但已经是荷兰格罗宁根大学的天文学教授了。他意识到，所有的恒星都围绕着一个共同的中心旋转。卡普坦在1922年发表了他的动态银河模型，但他在和前人同样的关键点上也是错误的。幸好，事实不是像他的模型那样。在他的模型中，我们的太阳系仍然离中心相当近。然而，根据今天的知识，这将使我们处于一个巨大黑洞的附近。
美国天文学家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）纠正了这个错误。他在威尔逊山天文台使用一台巨大的望远镜做研究。沙普利通过测量球状星团并确定它们与地球的距离，得出了银河系的大小。
这一切之所以能够成为现实，完全是因为在1912年，美国人亨丽埃塔·斯旺·莱维特（Henrietta Swan Leavitt）想出了如何通过一类叫作造父变星（Cepheids）[102]的恒星的亮度有规律的周期性变化来确定它们的距离。莱维特和安妮·詹普·坎农（Annie Jump Cannon）一样，是最初一代女天文学家的代表。她们充满激情、不屈不挠，但她们的成就并不总是得到应有的承认。还好，现在有两座月球环形山是以坎农和莱维特的名字命名的。
通过确定球状星团的位置，沙普利发现它们的排布并不以太阳为中心。所以银河系的旋臂根本不围绕我们的行星系统旋转。因此，银河系的中心必须比卡普坦所假设的离我们远得多。沙普利估计太阳系离银河中心约65000光年。后来他把这个距离修正为大约35000光年。因为沙普利此举，后人尊他为星系研究中的哥白尼。那位德国-波兰教士曾经把地球从世界的中心移到绕太阳的轨道上，沙普利现在把太阳和它的行星从银河系的中心放逐到其外围。
沙普利认为银河系的尺寸要比以前认为的大得多，并估计其直径为300000光年。他认为，所有的星云都位于我们的星系之内。因此，宇宙中只有一个星系，也就是我们的银河系。顺理成章地，他认为，我们的银河系就是整个宇宙。
沙普利的这种观点，使他卷入了一场传奇性的讨论。1920年4月26日，一场后来被称为“大辩论”（Great Debate）的科学讨论会在华盛顿国家自然历史博物馆举行。出场的双方是天文学界的两个争执不休的学派。一方是沙普利，他主张巨型星系理论，其中，太阳在偏离银河系中心的位置。另一方是沙普利的批评者希伯·柯蒂斯（Heber Curtis），代表宇宙岛理论。柯蒂斯认为，银河系只是众多星系中的一个，所谓漩涡星云各自是独立的恒星系。然而，在后者的模型中，我们的太阳系处于银河系的中心位置。
白天，两位科学家分别在会上就他们的理论进行了演讲。傍晚时分，他们以公开讨论的方式进行了对决。两人针锋相对，不让寸分。柯蒂斯在其职业生涯中曾领导过多个天文台，并有十次左右的日食考察经验，确信沙普利编造了测量数据。两人都为自己的观点激烈地辩护，但那晚双方没有决出胜负。最后，沙普利可能吸引了稍微多一些的听众到他这边来。事实上，双方的观点都部分正确。
观众席上，一位科研人员饶有兴趣地听着沙普利和柯蒂斯的论点。他的名字是埃德温·哈勃（Edwin Hubble）。这位前律师马上就会为这场大辩论提供解决方案。具有讽刺意味的是，他其后取得突破性进展的地点是威尔逊山天文台，而这正是沙普利一直进行研究的地方。
感谢哈勃，我们可以相对准确地回答人类用肉眼能看到多远的问题：近300万光年。这是将我们的眼睛与天空中一个不起眼的斑点联系在一起的距离。这个斑点当时叫作“仙女座星云”，梅西叶星表编号是M31。这是我们在没有望远镜的情况下可以在夜空中看到的唯一一个邻近星系。我们看到的所有其他恒星都是我们银河系的一部分。而“仙女座星云”也是沙普利-柯蒂斯争论的关键。而且不止如此，它对揭示整个宇宙的结构而言也至关重要。
哈勃在传奇性的大辩论之后仅仅三年就发现，仙女座星云不仅是一块孕育着年轻恒星的简单的气体云[103]。在这个被当作星云的天体中，他分离出了一颗特别的恒星，从而测量出了它与地球的距离。这颗恒星发出的光是脉动式的，具有周期性变化，看起来和亨丽埃塔·斯旺·莱维特描述过的造父变星同属一类。因此，从这颗星的光变曲线中，可以确定它的真实亮度，从而确定它与地球的距离。
由此得出的巨大距离只可能意味着一件事：整个“仙女座星云”结构必须位于我们的银河系之外。后来，哈勃又加上了其他观测的结果。很明显，这个“星云”确实自己就是一个星系。沙普利错了：我们的银河系只是宇宙中众多星系里的一个。哈勃在发表他的工作之前通过信件告诉了沙普利这一点。他这样做是出于恶意，还是出于绅士的责任感，仍然是一个悬而未决的问题。不过确实，在此之前，沙普利明确批评过哈勃，表示他并不赞同哈勃的想法。然而此时，沙普利承认了他的错误。读过信后，沙普利把信拿给一个学生，并且对她说：“就是这封信摧毁了我的宇宙[104]。”
“天文学的历史是一部地平线后退的历史”，哈勃在他1936年出版的《星云界》（The Realm of the Nebulae）一书中写道[105]。然而，就我们的银河系而言，在哈勃和其他科学家在20世纪20年代的发现之后，地平线还没有像我们现在所知道的那样宽广。宇宙的尺度还会更大，而我们到底在其中的什么位置尚未有定论，因为银河系中心隐藏在银河系盘面中大量的灰尘后面，无法用光学望远镜看到。
直到20世纪30年代初，射电望远镜的出现为天文学打开了一扇新的宇宙之窗，这种情况才有所改变。1932年，卡尔·古特·央斯基（Karl Guthe Jansky）测量到了明显是来自宇宙的噪声信号。同时，在人马座附近位置，这种信号尤为强烈。央斯基因而成为首个发现宇宙射电辐射的人。今天我们知道，银河系的中心位置，也就是我们星系的中心，就在人马座方向。
荷兰人扬·奥尔特（Jan Oort）也相信，银河系中心就在那里的某个地方。据理论假设围绕太阳系的彗星家园“奥尔特云”，即以他的名字命名。奥尔特估计，银心（Galactic Center）的距离为30000光年。这与今天已知的27000光年相当接近。他的同胞“亨克”·范德胡斯特（Hendrik “Henk” van de Hulst）在第二次世界大战中被德国占领期间躲在乌特勒支天文台。在那里，他推动射电天文学更进一步。范德胡斯特预测，在银河系中极为丰富且广泛分布的原子氢必须在射电波的范围内产生光谱线。谱线应该正好落在1.4千兆赫的频率上，大约是手机频率的范围。
射电波在最真实的意义上照亮了银河系。它可以穿透墙壁一样厚的障碍，甚至银河系的尘埃云对它也几乎如若无物。现在，射电光波照亮了银河系的黑暗斑块，范德胡斯特和奥尔特从而测量了银河系的结构，甚至发现了旋臂。实际上，如果能够在星系上空盘旋，这些结构很容易看到，但我们自己现在是在星系内，从侧面看，这就没那么容易了。
在20世纪50年代中期，我们也终于成功地确定了我们在银河系中的确切位置。它位于人马臂和英仙臂之间的所谓本地臂（Local arm）[106]里。我们正以每秒250千米的速度围绕银河系中心移动。还好，我们不必根据绕银河系的周期来制定新的历法。我们的行星系统需要两亿年才能围绕银河系的旋转木马转一圈，这实在是太长了。
正如行星围绕着太阳旋转一样，太阳系也围绕着银河系的中心旋转。今天，我们能够测量到这种运动导致的几周间的变化。就像我的同事安德烈阿斯·布伦塔勒和马克·里德（Mark Reid）经常做的那样[107]，当用射电望远镜观察银河中心的黑洞时，我们能够发现它似乎是在天空中高速移动。这当然只是一种假象。事实是，我们就像周围的所有恒星一样，在相对于银河系的中心移动。
从长远来看，这对我们看到的天空也会产生影响。在大约10万年后，我们熟悉的北斗七星，属于更大的大熊星座，其外观将与今天不同。北斗现在长得像是带有长拉杆的梯形推车，届时，它的“车斗”可能看起来就像撞上了一堵墙。
对银河系的探索仍然是一个重要课题。欧空局的盖亚任务继续揭示有关其结构和演变的新细节。阿米娜·赫尔米（Amina Helmi）是一位银河系考古学家，也是格罗宁根大学的教授。在某种意义上，她是伟大的荷兰前辈卡普坦和奥尔特的继承者。2018年，她揭示了一个自古以来我们的银河系一直隐藏的秘密。在100亿年前，银河系曾吞噬了一整个星系。它的名字叫作盖亚-恩克拉多斯星系（Gaia-Enceladus），其残余目前仍在银河系中游走。靠着吞噬这样的猎物，银河系的圆盘逐渐增大，并且产生了中心隆起的核球。
然而，演变并没有就此结束。还有许多小星系围绕着我们的银河系运行，几十亿年后，我们将与和我们同样大的邻居仙女座星系合并。我们的星系前方还有戏剧性的时刻在等待。
[82]参见论文：G. W. Collins, W. P. Claspy, and J. C. Martin, “A Reinterpretation of Historical References to the Supernova of AD 1054,” Publications of the Astronomical Society of the Pacific 111, no. 761 (1999): 871–80, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1999PASP..111..871C。
[83]一些研究人员确实认为查科峡谷的图画文字与1054年的超新星具有联系，因为该超新星于1054年7月4日出现在金牛座的东部。参见文章：https://www2.hao.ucar.edu/Education/SolarAstronomy/supernova-pictograph。然而，最近有人对这种解释提出了异议，如：Clara Moskowitz, “ ‘Supernova’ Cave Art Myth Debunked,” Scientific American, January16, 2014, https://blogs.scientificamerican.com/observations/e28098supernovae28099-cave-art-myth-debunked。
[84]参见论文：Ingrid H. Stairs, “Testing General Relativity with Pulsar Timing,” Living Reviews in Relativity 6 (2003): 5, https//ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003LRR.....6....5S。
[85]参见论文：M. Kramer and I. H. Stairs, “The Double Pulsar,” Annual Review of Astronomy and Astrophysics 46 (2008): 541–72, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2008ARA&A..46..541K。
[86]安德烈阿斯·布伦塔勒（Andreas Brunthaler）在他的数据中偶然发现了超新星SN 2008iz。
[87]参见论文：N. Kimani, et al., “Radio Evolution of Supernova SN 2008iz in M 82,” Astronomy and Astrophysics 593 (2016): A18, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016A&A…593A..18K。
[88]参见论文：J. R. Oppenheimer and G. M. Volkoff, “On Massive Neutron Cores,” Physical Review 55, no. 374 (1939): 374。但首先提出中子星概念的是巴德（Baade）和茨维基（Zwicky）：W. Baade and F. Zwicky, “Remarks on Super-Novae and Cosmic Rays,” Physical Review 46 (1934): 76–77, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1934PhRv…46…76B。
[89]史瓦西得到他的解的地点应该不是在俄罗斯，而是在西部战线上的孚日南部。对此，在他与阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld）的信件中有清楚的表述：https://leibnizsozietaet.de/wp-content/uploads/2017/02/Kant.pdf。
[90]几个月后，荷兰科学家约翰内斯·德罗斯特（Johannes Droste）独立找到了一个更优雅的解，但这篇论文却遭到了冷落。因为德罗斯特只以荷兰语发表了他的成果。在那个时候，具有用德语交流的能力还是相当必要的。
[91]参见：Hanoch Gutfreund and Jurgen Renn, The Road to Relativity: The History and Meaning of Einstein’s “The Foundation of General Relativity” (Princeton: Princeton University Press, 2015)。
[92]参见介绍文章：“LEXIKON DER ASTRONOMIE: Schwarzschild-Lösung”, https://spektrum.de/lexikon/astronomie/schwarzschild-loesung/431。
[93]我在写作本书时想到了用河流来比喻黑洞。我本以为自己的想法具有相当的原创性，结果早已有人为此撰写了一整篇学术文章：Andrew J. S. Hamilton and Jason P. Lisle, “The River Model of Black Holes,” American Journal of Physics 76 (2008): 519–32, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2008AmJPH..76..519H。
整套可视化描述广义相对论的模型可见：Markus Pössel, “Relatively Complicated? Using Models to Teach General Relativity at Different Levels,” arXiv eprints (December 2018):1812.11589, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018arXiv181211589P。
[94]所谓“事件视界”是时空中的一种分隔界面，其内的任何事件皆无法对视界外的观察者产生影响。譬如，黑洞中包括光在内的任何东西都无法逃脱出黑洞的事件视界。因此，在许多通俗文献中，也常用“黑洞表面”一词代指史瓦西黑洞的事件视界。——译者注
[95]参见文章：Jeremy Bernstein, “Albert Einstein und die Schwarzen Löcher,” Spektrum der Wissenschaft, August 1, 1996, https://www.spektrum.de/magazin/albert-einstein-und-die-schwarze-loecher/823187。
[96]这里的“点”指的并不是广义相对论中讨论的空间中的点。中心奇点是一个无限弯曲的时空的边界。
[97]参见论文：Ann Ewing, “ ‘Black Holes’ in Space,” The Science News-Letter 85, no. 3 (January 18,1964): 39, https://jstor.org/stable/3947428?seq=1。
[98]参见论文：Roy P. Kerr, “Gravitational Field of a Spinning Mass as an Example of Algebraically Special Metrics,” Physical Review Letters 11 (1963): 237–38, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1963PhRvL..11..237K。
[99]这种效应是在黑洞周围形成等离子体喷流的重要因素，不过并非绝对必要因素。它是彭罗斯过程的一种，通常人们称之为Blandford-Znajek过程。在这个过程中，光或粒子可以提取黑洞的转动能。
[100]关于非洲毫米波望远镜的信息参见：https://www.ru.nl/astrophysics/black-hole/africa-millimetre-telescope；以及论文：M. Backes , et al., “The Africa Millimetre Telescope,” Proceedings of the 4th Annual Conference on HighEnergy Astrophysics in Southern Africa (HEASA 2016): 29, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016heas.confE..29B。
[101]参见文章：“Mistkäfer orientieren sich an der Milchstraße,” Spiegel Online, January 24, 2013, https://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/mistkaefer-orientieren-sich-an-der-milchstrasse-a-879525.html。
[102]造父变星是以造父一（仙王座δ星）为原型的一类变星。因其亮度相对于时间变化的周期与其光度成正比，因此可用于测量遥远天体的距离。——译者注
[103]参见文章：Dirk Lorenzen, “Die Beobachtung der Andromeda-Galaxie,” Deutschlandfunk, October 5, 2018, https://www.deutschlandfunk.de/vor-95-jahren-die-beobachtung-der-andromeda-galaxie.732.de.html?dram:article_id=429694。
[104]参见论文：Trimble, V., “The 1920 Shapley-Curtis Discussion: Background, Issues, and Aftermath.” Publications of the Astronomical Society of the Pacific 107, no. 718(1995): 1133, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1995PASP..107.1133T。
[105]原书见：E. P. Hubble, The Realm of the Nebulae (New Haven: Yale University Press, 1936)。在线版本：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1936rene.book.....H。
[106]本地臂（又译近域旋臂），即猎户臂（Orion arm），是银河系内的一条小旋臂。——译者注
[107]参见论文：M. J. Reid and A. Brunthaler, “The Proper Motion of Sagittarius A*. III. The Case for a Supermassive Black Hole,” The Astrophysical Journal 892 (2020): 39, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020ApJ…616..872R。
