上世紀6、70年代，天文學家們開始在天空中尋找黑洞。
茫茫宇宙中，黑洞在哪裡呢？黑洞不發光，不輻射，便不能被看見，那麼，應該如何來尋找它們？最後，人們把尋找的目標指向了雙星系統。
雙星系統
雙星系統又是太空天體中有趣現象之一。不僅僅人類社會中成雙結對，恆星也喜歡找一個“舞伴”，共同牽手在太空中翩翩起舞。為什麼這麼說呢？因為據觀察，在銀河系的眾星中，有一半以上的恆星都是雙星。
其實從物理學的角度來看並不難理解，恆星有大有小有各種質量，兩兩相鄰的可能性很大。如果兩顆星質量差別大，便會一個被另一個俘獲。質量差不多的兩顆恆星，便共同圍繞質心轉，形成雙星系統。
如果一個黑洞與另一顆星結成了雙星，那就好了！我們看不見黑洞，總看得見它亮麗的舞伴吧。這個舞伴的運動會被黑洞所影響，順藤摸瓜，便能找到這個看不見的伴侶的資訊，由此而又可以進一步判定它是不是一個黑洞。
黑洞 概述圖
還不僅僅如此。觀測雙星系統時，不僅能觀測到更為明亮的那一顆，也能觀察到從另一位“看不見的舞伴”附近輻射出來的某些東西。即使是黑洞，雖然在它的視界之內不會有任何物體逃脫，但在它的視界周圍卻能觀測到輻射現象。
天體的輻射除了可見光之外，還有X射線、伽瑪射線、紅外、無線電波等等。比如X射線，由於大氣層的阻擋作用，在地面上不容易接受到。自從V-2火箭把人帶上了太空開始，X射線的探測便逐漸進入到天文學。1962年，美國天文學家裡卡爾多·賈科尼（Riccardo Giacconi，1931年－）利用探空火箭在X射線波段進行了全天範圍內的掃描，正式開創了X射線天文學。
後來，1970年賈科尼領導的第一顆X射線天文衛星（烏呼魯衛星，探險者42號）升空，確定了339個新的X射線源，包括第一個黑洞候選天體—天鵝座X-1。賈科尼後來因為他對X射線天文學的卓越貢獻而獲得2002年的諾貝爾物理學獎。如今，太空中發現的X射線源天體的總數已經達到了12萬個。
天鵝座 示意圖
天鵝座X-1便是一個距離太陽大約6，070光年的雙星系統，是從地球觀測最強的X射線源之一。這個雙星系統為何發出X射線？與系統中兩個星體的性質有關。
經過對緻密X射線源天鵝座X-1的觀測研究，表明它是由一個超巨星和另一個質量頗大卻又“不可見伴星”組成的（之後證實這是一個黑洞）。從觀察發現此類雙星系統內有一些有趣的現象，首先，物質不停地從可見的超巨星表面流向它的同伴，像是被一股“風”吹過去似的。這股連綿不斷的“妖風”使得超巨星變成“液滴”形狀。物質綿綿不斷地從“液滴”的尖端，被輸送到“不可見”的星體，積累和彌散在其周圍形成一個圓盤形狀，也就是天文學家們所說的“吸積盤”。
多次的天文觀測證實，吸積盤（accretion disc）是恆星周圍具有的一種常見結構。由彌散物質圍繞中心體轉動形成。中心天體可以是年輕的恆星、原恆星、白矮星、中子星、黑洞等。彌散物質在中心體強大引力的作用下，將落向中心體。但另一方面，如果這些物質旋轉的角動量足夠大，使其在落向天體的某個位置處，離心力與引力相抵消時，便會形成一個相對穩定的盤狀結構，就叫做“吸積盤”。
在吸積盤中，物質被引力吸引下落的過程中，釋放出大量能量，在臨近中心體的地方產生垂直於盤面的狹窄的漏斗狀噴流，如上圖所示。
此外，不斷進入中心體周圍物質所攜帶的引力能得到釋放後，高能電子會摩擦並加熱吸積盤中氣體到很高的溫度，導致氣體向外輻射。輻射的主要頻率與中心天體的質量有關。對年輕恆星，吸積盤輻射多半為紅外線，中子星及黑洞產生的吸積盤輻射則多半為X-射線。熱輻射的溫度要達到106K數量級才可以顯著地發出X射線，所以，雙星系統中黑洞周圍吸積盤的形成是來自巨星的物質供給。
洛希瓣是包圍在恆星周圍的一個空間界限，在這個範圍內的物質因為該天體的引力而被束縛。但如果這個恆星體積膨脹至洛希瓣的範圍之外，這些物質將會擺脫掉恆星引力的束縛。在雙星系統中發生這種情況的話，擺脫巨星引力的物質卻有可能被它的開不見的同伴的“黑手”抓去，就像上面所敘述的天鵝座X-1的情況那樣，形成了黑洞的吸積盤。
洛希瓣示意圖
然而，天文學家又如何確定天鵝座X-1雙星中那位看不見的舞伴是黑洞而不是其它種類星體呢？
這就需要測量該星體的質量。因為從前面所述的奧本海默極限，最後能演化成黑洞的天體質量要大於約3倍的太陽質量。但星體質量的測量和估算非常困難，不過隨著天文技術的進步，測量的數值會越來越準確。
目前估計的天鵝座X-1的質量約為太陽質量的8。7倍，加之其密度極高，這些資料成為支援它是一個黑洞雙星系統的重要證據。從觀測資料可以估算出天鵝座X-1黑洞的事件視界半徑約為26公里。
因此，儘管我們無法直接觀測黑洞，但它對周圍物質強大的引力作用使我們能間接觀測到黑洞存在的證據。有科學家估計在銀河系內黑洞的總數應以百萬計，但直到目前能夠確定為黑洞（或黑洞候選者）的天體卻只有寥寥數十個。
除了恆星黑洞外，有確切的觀察證據表明銀河系中心是一個質量為大約431萬倍太陽質量的超大質量黑洞。天文學家認為，這種超大質量黑洞在星系中心普遍存在。此外，在宇宙的極早期階段也會形成質量極小（約 1E15克）的原初黑洞，但目前尚未觀察到。
霍金與基普·索恩
第一次觀察到天鵝座X-1黑洞時，霍金便與基普·索恩打賭，1975年，霍金賭天鵝座X-1不是一顆黑洞，如果霍金贏了，索恩給他4年的《偵探》雜誌；反之，霍金給索恩定1年的《閣樓 （雜誌）》。
實際上當時，兩位學者都知道天鵝座有80%的可能性是黑洞，但這是霍金採取的打賭的“保險措施”。因為他無論輸贏都高興，賭贏了得雜誌，賭輸了證明黑洞存在，他的理論正確。
最後，到1990年，觀測證據顯示這個系統中存在著引力奇點，的確是一個黑洞。霍金承認打賭失敗，給索恩定了一年雜誌，還大張旗鼓地在當年的檔案上按手印“認輸”，但卻打心眼裡高興，因為這是黑洞物理理論的第一個觀測證據。
·
作者：張天蓉
部分圖源網路
版權歸原作者所有