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第19部分（第1页）

假设地球、一个黑洞和一颗恒星碰巧排在一条直线上，按照广义相对论定律，黑洞附近的时空弯曲将使来自远处恒星的光在到达地球之前沿几条可能路径之一运动（图56）。于是，望远镜就必然会看到同一个光源的几个像：一个对应着弯曲最少的光线的“主”像，以及若干个对应着弯曲较严重的光线的“次”像。这种表观像相对于真实像的移动就叫做引力幻景。

有时在沙漠里可以见到的幻景是这样造成的：由沙里散发出的热使不同层次空气的温度得到不同的升高，因而不同气层就有不同的折射率，由沙所反射的光线就会沿不同的路径到达远处的旅行者，于是就会形成各种神秘的幻景，可以被看作是绿洲、城市或是海洋，完全取决于旅行者最想看到什么。

探测由宇宙空间的弯曲所造成的引力幻景无疑要困难得多，不妨先考虑一下银河系外的巨型黑洞的情况。远处的源，例如类星体或宇宙背景辐射（这种辐射的确是唯一的在天空中到处都存在的电磁辐射源），就可能会被黑洞的引力透镜效应所影响。

天文学家已经掌握了一批引力幻景给出类星体多重像的实例，但是，造成这些幻景的并不是巨型黑洞，而只不过是中介星系而已。所有的物质集结都能使时空连续体出现一定程度的弯曲，因而都能起引力透镜作用。大多数测量（像的分离等等）只能给出透镜的质量，所以如果透镜本身没有被探测到，当然就不可能说出那究竟是个巨型黑洞还是个暗弱的星系。

1985年，一对名为哈利德（Hazard）1146＋lllB和C的类星体在天文界引起了轰动。它们的红移乍看起来是相同的，因而很像是同一个天体被一个插入透镜造成的双像。但是与其他引力幻景不同的是，哈利德1146＋fll有着极大的角分离：2．6角分，比已知的其他多重类星体要大20倍。如果它们确是同一个天体的像，引力透镜的质量就得相当于几千个星系。

有三种类型的天体可以成为这种大质量的透镜：极密集的星系团，“超巨型”黑洞，以及“宇宙弦”。没有任何观测证据显示在这个方向上座落有星系团。“宇宙弦”是基本粒子理论家发明的一种优美构造，这是一种在宇宙的最初时刻形成的、很长而半径几乎为零的弦，能够输送引力能。但是．没有任何实验方案可以用于证实这种东西的存在，或是证实这个理论的合理。于是只剩下黑洞，它反而成了最少离奇性的解释。哈利德1146＋111的情况所需要的黑洞质量在”2到10”M之间，而且只能是原初黑洞，这个巨大的质量远远超出黑洞学家的想象

但是在接受这种极端的解释之前，必须肯定哈札德1146＋111的确是引力幻景。更精确的测量表明，它们的光谱并不一样，也就是说这两个像并不是源于同一个类星体，而是相互靠得很近的两个类星体。这是宇宙弦和超黑洞的梦的终结。这里细述这个故事，只是想说明科学研究中常有这种混乱。一个轰动性发现的宣布（并引起新闻媒介的注意），其背后常常只是对不精确的资料作了错误的解释，随后所作的更好的测量又把这个发现送回到“正常”的行列，从而再次证明简单性原理的中肯：最“经济”的即最“平凡”的（没有任何贬义）假设，几乎总是正确的。

在巨型黑洞之后，再来看看恒星级质量黑洞的情况（包括原初的和后来形成的）。这种黑洞的直径只有几公里，所以即使是处在我们银河系内并且近到只有几十光年的距离上，其视直径也会很小，以至与一颗更远处的恒星排成一线的可能性就微乎其微。即使这种排列真的发生，由黑洞质量所决定的恒星不同像之间的角分离，也会小得使目前和将来的望远镜无法分辨，那么就毫无希望了吗？不是。因为透镜（即使是微型的）效应，并不只限于造出多重像，而是还能使像的强度增大，使光谱变形。考虑我们银河系或邻近星系的晕里的一个微型透镜，它相对于遥远的（因而被看作是固定的）类星作背景就有很缓慢的运动，排列成线的可能性就不再是可忽略不计的了，引力幻景就会使类星体的光度和光谱出现短暂的变化。这个主意还挺不错，以至于有些学者把整个一类有活动核心的星系（见第对章）都解释为微型透镜的积累效应。几个深入细致的观测计划正在进行之中，其目的主要倒不是探测恒星级黑洞，而是要证实在星系晕里聚集着大量很小而暗弱的恒星。

暗物质

现代宇宙学尚未解决的问题之一是所谓下落不明的质量。对星系运动的观测表明，“可见”物质（无论是在光学、射电、红外或X射线波段可见）只占总质量的一部分。可以举一个简单的例子来描述这个问题。许多星系聚集成团，形成束缚的引力结构，并不散开到周围的宇宙介质里。如果这些星系团只由可观测到的单个星系和星系际气体组成，则引力将不足以使它们聚集在一起，因此就必然存在暗物质，在电磁辐射这种形式上是不可见的，但是能提供引力以维持星系团的存在。

黑洞显然是这种暗物质的候选者（最新的说法是“褐矮星”，有时被不大礼貌地称为“衰败星”，指的是质量小到只有太阳的百分之一，因而核心不能发生热核反应的暗弱天体。关于微透镜的观测计划的基本目的正是要找到这种星），但是，各种由观测得出的制约排除了大量巨型黑洞聚集的可能性（如在第门章将要看到的，很可能所有星系的核心都有一个质量很大的黑洞，但要解决下落不明的质量问题，在星系核外就还得有许多巨型黑洞）。比如说，如果质量远大于100万M的黑洞存在于旋涡星系的晕里，即在聚集着绝大部分可见物质的星系核球和星系盘（见第17章）之外，这种黑洞的存在将至少会以两种方式表现出来：第一，它们将作为引力透镜而使遥远恒星的像多重化；第二，它们将使星系盘中恒星的速度增大，因而使盘变厚。然而这些现象都从未被观测到。

另一方面，质量为100万M的原初黑洞存在的可能性并未被排除。绝大多数星系都是在宇宙历史的早期形成的，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种子。第十六章　X射线星

孤立的恒星级黑洞，对于热辐射形式的蒸发来说质量太大，对于使遥远恒星的光线弯曲来说质量又太小，因而确是不可见的。

但是，黑洞从来就不是完全孤立的，它身居星际介质之中，吞噬周围的物质来喂养自己，这样的黑洞总是会留下痕迹，被吞噬的物质在消失之前会发出电磁辐射。不过，星际气体过于稀薄，产生的光度太弱，一个10M的黑洞在吸进周围气体时只能产生像一颗孤立白矮星那样暗淡的光，最多只能在见光年的距离上被探测到。而即使在银河系里有10亿个黑洞，最靠近地球的恐怕也在100光年以外。

那么，对希望探测黑洞的天文学家来说还留有什么余地吗？回答是双星系统。单个恒星只是少数，作为恒星残骸的黑洞也是如此。许多黑洞应当是在双星系统之中，尽管双星系统中的黑洞甚至比它的致密星兄弟，即白矮星和中子星更善于隐蔽，但毕竟有踪迹可寻。到双星中寻找黑洞就成为过去20年中天体物理学家最富成果的途径之一。

共生的幽灵

不论是否有黑洞，双星很少能被同时看到，大多数情况R能用望远镜看到一颗子星。天文学家是怎样深明一颗恒星是否有伴侣的呢？

问题的关键是引力，按照天体力学定律，双星系统的成员都绕着它们的共同质心旋转。天文学家能够观察到，一些邻近太阳系的双星，就像一对舞伴在跳着椭圆旋转舞；而更常见的情况是，轨道运动的证实只能借助非常精确的光谱学技术。

像太阳一样，恒星的可见光是多种颜色光的混合，从长波长的红光到短波长的紫光。摄谱仪是一种像棱镜一样能把恒星的可见光在屏幕上分解成不同颜色的仪器。恒星光谱呈现出逐渐变化的颜色，还有一些很窄的暗线，称为吸收线，吸收线的存在表明该频率上的光强度减弱了。这是怎么造成的呢？

恒星的大气是由氢、氦、碳、氧、钙等等元素的原子组成的，每种原子都能吸收一定的特征波长的光。更准确地说，户子核外轨道上的电子能捕获某些人射光子，从而获得能量，跳跃到更高的能级上。从恒星的高温核心出来的光只有在经过其大气原子的“过滤”之后才能到达天文学家那里，在一定波长上就有部分能量损失了。

可以在实验室里得出任何原子的“参考光谱”。在将恒星光谱与参考光谱比较时，吸收钱就成为一种信号，可以显示出恒星外层的化学成分，并能提供关于恒星表面温度、尺度、内部光度等等的信息。

有一类双星，其中只有一颗子星能用望远镜看到，但这颗星光谱中的吸收线在一个平均位置附近周期性地振动。谱线的移动表明恒星在绕着一个看不见的伴星转动，这就是所谓光谱双星。

多普勒移动

由于光源相对于接收者的运动而使电磁频率表现出移动，这就是多普勒效应（奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒（Chris－tian　DoPPler）于1842年发现了声波的这种效应，而把它推广到包括光波在内的则是法国物理学家费兹奥（A．Fizeau）、当光源趋近（远离）时，接收频率相对于发射频率增大（减小）；运动速度越大，频率移动也越大（图57）。

有一个故事为多普勒效应作了有趣的阐述。一个司机因开车闯红灯被送上了法庭。他非常聪明，解释说是因为汽车跑得很快，红光在他眼里成了绿光。法官的物理学也学得不错，计算出来，要使红光由于多普勒效应变成绿光，那个司机必须把车子开到10万公里／秒的速度。法官于是微笑着对司机说道：“我接受你的论证，你在超速行驶！”

多普勒效应也被警察应用于使司机们害怕的速度监测雷达，它在天文学上也有许多有益的应用。天文学家有点像个听觉很灵敏的盲人，这种人听到救火车汽笛的声音就能判断车子行驶的速度和方向。天文学家也通过使用摄谱仪“听”恒星的光而测量它们的运动，这种方法对于在看不到伴星的情况下揭示恒星的双星性特别有用。

双星系统里可见子星围绕共同质心的轨道运动显然是这样表现出来的，即它交替地趋近和远离观测者，而那颗不可见于星则正相反（除非是一种罕见的情况，即观测者视线正好与双星轨道平面垂直），于是接收的辐射频率就必定在趋近阶段增大（变得“更蓝”），在远离阶段减小（变得“更红”）。这种频率移动影响到整个光谱，吸收线也就会全体地变红或变蓝，在两个极端位置之、间来回振荡（图58），这种现象就是光谱双星的标志。

一旦天文学家肯定一颗恒星是在双星系统里，他们就会试图去发现那颗不可见星的本质。一颗看不见的星不一定就是黑洞，甚至离黑洞还差得远，它可能是许许多多种质量很小、亮度弱得不能看见的恒星之一。它之所以暗弱，或者是因为离得太远，或者是因为被可见星的光芒所掩盖，就像一只萤火虫飞到一盏灯附近变得看不见了一样。

那颗暗星也可能是颗质量不很大的已经发生引力均缩的星。恒星的残骸有白矮星、中子星和黑洞三种。黑洞的标记似乎只是质量，白矮星和中子星的质量不可能大于ZM。或3M。但是，在试图证认双星系统中的黑洞时有许多易犯的错误。一个高温、明亮的大质量星也可能会由于周围尘埃的遮掩而隐藏起来。举一个例子，御夫座埃泼西隆星是光谱双星，其不可见子星的质量约为SMop远大于白矮星或中子星的允许质量，但是可见于星每27年被掩食三次，每次的时间是2年。黑洞太小（半径为25公里），不可能造成这样长时间的掩食，那颗不可见星正是颗被尘埃遮掩的大质量星。

幸运的是，黑洞探索者还能依据别的信号。双星系统中恒星的演化与单个星是不同的，尤其是在其中一颗星已经发生引力坍绩的情况下。一个表面积很小的恒星残骸若是处在孤立状态，那么在绝大部分时间里是不可见的（除射电脉冲星外）；但若是处在双星系统中，情形就不相同。双星中的白矮星是激变变星和新星这样的激烈事件的发生场所（见第5章），若是换成中子星或黑洞，场面甚至会更为壮观。这时会出现许多种高能天文现象，其共同特征是全都可见于X射线波段，X射线天文学在70年代初期的发展使以前已被公认的宇宙图像发生了革命性的变化。

飞行的天文台

X射线天文学只能诞生于空间时代，X射线会被大气吸收，因而只能由空间探测器来测量。X射线探测器比用镜子来反射和放大光的光学望远镜要小得多，看上去其貌不扬。X射线光子的能量是如此之大（伽玛射线光子的能量更大），以致光子不再被那种普通镜子反射，而是穿透镜子，失去踪影。所以天文学家就得用特殊的探测器来捕捉X射线光子，这种仪器利用的是高能光子穿过带电金属或气体的效应（用于测量地球表面辐射强度的著名的盖革（Geopr）计数器也是依据相似原理工作的）。

最早期的仪器是用火箭或气球送上天空的。许多X射线源被发现并按它们的位置所在的星座命名（例如天蝎座X—l就是在天蝎座找到的第一个X射线源）。天文学家由可见光和射电频率的观测所建立起来的相对说来平静的宇宙图像开始动摇了，而当能够长时间监视“X　射线天空”的人造卫星显示威力时，平静的宇宙图像就被完全推翻。突然之间，在宇宙的所有部分冒出了像恒星、星系和星系团那样种类繁多的源，在慷慨地发出比可见光能量高100倍到1亿倍的电磁辐射。

比起卫星来，火箭也有自己的优势，主要是成本低，并能很快投入使用。完成一项火箭观测计划只要几个月，而从提出一项卫星方案到获得资金和真正发射，往往长达数年。但是，火箭会很快落回地球，只允许作几分钟的观测。在整个火箭时期，总共只对天空作了一个小时的观测，而一个卫星就能工作好几年。

“自由”

天文界梦想着能够每天24小时监测天空的X射线卫星。在主要由里卡多·加可尼（Riccardo　Giacconi）和他在哈佛大学的合作者的努力下，这个梦终于实现了。1970年间月12日，“探索者”系列的第42颗卫星被从肯尼亚海外印度洋中的一个发射台送入了赤道上方的轨道。卫星被命名为乌呼各（Uhuru），是斯瓦希里语“自由”的意思，用以纪念肯尼亚独立七周年。

在许多X射线卫星中，乌呼鲁是最辉煌的杰作之一，因为它首次绘制出了一幅精确的X　射线天空图。单个X射线探测器所给出的点源位置精度很低，为克服这个弱点，乌呼鲁带有两个背靠背的探测器，它们随着卫星的缓慢转动一点一点地扫描整个天空。每当一个X射线源进入它们的视线，就有一个信号被送回地球，由于卫星的方位是已知的，源的方向就能以高得多的精度被确定到一个很小的“误差框”内。乌呼鲁一直运行到1973年春天它的电池耗尽时为止，在这段时间里它一共确定了将近350个新X射线源的位置。

乌呼备之后又有一些卫星被用于对X射线天空的研究，其中有“高能天文台”系列，这个系列中的第二颗

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