天文学家察觉到宇宙间存在着黑洞，这些引人入胜的物体位置在许多星系( 包括我们的银河系)的中心。研究者们为了推断它们的存在，必须依靠两种间接的论证路线。首先，在靠近星系中心，恒星运动得极快，以致除有一种巨大质量一一大到相当于10亿个太阳——的引力拉住它们，否则它们就会飞走。具有如此大质量的东西，一定是极其紧密的，理论家认为除了黑洞别无选择。其次，许多星系中心和双星系统以极大的速率喷涌出辐射和物质，它们一定包含着一种产生能量的非常高效的机构。理论上说，最高效的可能机器就是黑洞。

浓密和稀薄

黑洞之所以成为如此高效的机器，是由它们的强引力使然。事件视界(黑洞的边界)是这样一个表面，没有什么东西能从这里逃逸，即便它以光速运动。物体以相应的高速被拉向视界，途中它们可能同别的物体或碎片相碰。结果物体在靠近黑洞处变热。

因为物体正以接近于光速运动，转换成热的动能类似于它们静止时质量的固有能量(E=mc2)。由于物体要返回远离黑洞的起始点就需要让它相当一部分质量转换成纯能量，在这个意义上，黑洞把静止质量转换成热能。

这种转换的效率取决于黑洞以多快的速度旋转。当角动量成为黑洞的要素时，它就是物质不会损失的少数性质之一。虽然不能直接看到它的转动，但它使视界附近的时-空扭曲。不过黑洞不能以任意快的速率旋转；超过某一最大速率，黑洞表面就不再存在。黑洞以接近于最大可能速率自旋时，就会把42%的殒落物体质量转换成能量。反之，静止的黑洞只能支配6%。相比之下，普通恒星热核聚变的效率仅仅0. 7%，而铀裂变的值只有0. 1%。

如果环绕黑洞的粒子能够分享它们的能量(比如由于碰撞)，那么殒落物质可以是难以想象地热。刚好在视界之外的质子的典型温度，相当于它的许多质量转换成能量一一大约 10度。在如此高温下的物质发出闪烁的伽马射线。但是尽管质子(一般的说是离子)易于变热，却不善于辐射能量。它们宁可在碰撞中把能量转换成较好的放射体，尤其是电子。电子放出能量较低的光子，如X射线。因此天文学家会看到从一个浓密的电子区域里流出X射线。

事实上那正好是天文学家在X射线双星系统中所观察到的。这样的系统是1962年首次发现的，天文学家业已辨认出几百个。天空中最亮的X射线源被认为是由其轨道是围绕看不见的物体的普通恒星所组成的。其中有一些是连续辐射的，另有一 一些称作X射线瞬变的，只有在几个月里才能看到一回，它们在静止态中耗去大部分寿命，即使放出X射线也少得可怜。这些系统大部分只看到过一次。在辐射爆发时，它们以X射线的形式放射出1030—1031瓦，是太阳总输出的100，000倍。

这种辐射的能量分布形状几乎与所谓黑体的能谱相同，类似于(但大大强于)像太阳、燃煤和人体等物体发出的能谱。黑体能谱是由一种“光学浓密”媒体产生的。这种媒体是如此紧密以致光子若未经历许多电子的碰撞就不能离开它。碰撞散布、破坏和产生出光子，使初始辐射源变得模糊起来，抹去了各个相互作用的细节。合成能谱只取决于放射表面的温度和大小。在“光学稀薄”气体中，光子在逃逸之前几乎没有什么相互作用，因而它们的能谱取决于物质性质的细节。

取脉冲

然而非常相同的论证也适用于中子星。虽然中子星不像黑洞那样功率强大，但仍不失为印象深刻的机器。物体能以一半的光速碰撞中子星的表面，从而转换为能量，效率约为10%，与典型的黑洞效率相差不多。

三种增长型式辐射的方式不同。在气体旋转到中子星上时，它在碰撞中释放出许多能量(左)。但是在气体旋转进入黑洞时，并不发生碰撞，它在通过视界时就消失了，或者在到视界前释放能量(中)。当它的密度很高使得气体原子发生碰撞，或者它连同能量一起进入坟墓(右)。应用辐射型式来推断是何种物体。

天文学家当然知道许多双星系统中的紧密物体并非黑洞。像单个脉冲星一样，双星中的射电脉冲星也被认为是快速旋转的，旋转使得中子星磁化。天体黑洞不能有磁场。它们近乎无特征物体，不能像在脉冲星上观察到的那样产生有规律的脉冲。与此相似，X射线脉冲星也不是黑洞。任何有规律的、稳定的脉动都排除了黑洞的存在。即使是不规则的X射线爆发也应该是中子星，因为它提供了可以积聚物质的表面，并不时地产生爆炸。

然而反过来却是不正确的——没有 脉冲或爆发并不意味着就是黑洞。例如，不能期望中子星以很高的速率增长物质就会产生x射线爆发。因为物质增长的速率依时间而变化，意外的事情是可能发生的。比如系统CircinusX-1直到开始出现X射线爆发那一天为止，人们一直推测它那里藏匿着黑洞。

除了黑洞，任何物体的质量是由它支撑自身重力的能力所决定的。普通的恒星，粒子的热运动(由热核聚变提供动力)产生压力以防止坍缩。但是寂灭恒星，如中子星和白矮星则不能产生能量。用来代替抵抗引力牵拉的压力是所谓衰退。这是一种无源力，它是密度极端状态下量子力学相互作用的产物。

按照泡利不相容原理，费米子(两类基本粒子之一)数目有一极限，它们可以被捆扎在给定的空间里。在白矮星里，电子打算占据最低的可能能量级，但是由于泡利原理，它们不可能全部占有最低能量级。只有两个电子允许在各个能量状态上。因而电子就堆积起来达到特定的能量值，这个值取决于密度。这种堆积产生反抗引力的压力(同样的效应防止了原子中的电子能级互相毁坏)。

抵抗引力

中子星的密度很大，以致电子衰退都不能抵抗引力。原子受压，质子和电子紧密结合成中子，原子核就消失了。结果成为中子球。这些粒子不能都占据相同的能级，所以堆积起来产生向外的压力。

对衰退核物质的性质，我们知之不多。因为中子(还有它的组分夸克)中的强相互作用必须考虑进去。因此研究者搞不清中子星的最大质量，虽然用简单的论证可以弄清其绝对质量。衰退恒星中引力拉牵随质量增大而增大。要抵抗这种增大了的拉牵，物质必须更加浓密。超过某一临界质量，它的浓密增长得比光速还要快。这违反相对论的基本原理。这个临界质量大约6倍于太阳质量。按照美国、法国、日本的专门小组更详细的计算，最大质量实际上低于3个太阳质量。已知的中子星质量决不会超过2个太阳质量。

通过排除法知道，天文学家所称的黑洞，或者不大精密地称作黑洞候选物，都是质量大于约3个太阳质量的紧密物体。在双星系统中，恒星速度结合轨道运动的开普勒定律，能够为星体质量确定一个较低限。

天文学家现在已知道七颗X射线瞬变双星，这里的紧密物体无疑满足这个黑洞判据。再加几个附加假设，他们已估算出这些黑洞的真正质量在4~ 12个太阳质量间变化。

如果他们能证明另外一个为中子星所不具备的特性——黑洞没有坚硬的表面，那么把这些物体辨认为黑洞就更加可靠了。事件视界就是一个物质不能返回的界面；无论什么东西掉入这个界面，就从我们的宇宙间永远消失。

如果有一滴等离子体掉进黑洞，由于没有足够的时间让它辐射热能，热量和物质就一起被拉了进去。它的热量决不会让遥远的观察者观察到；它将“平流'通过视界，从此消失。这种损失并不违反质—能守恒定律，因为热能不会同黑洞质量混合。但是它会大大减少黑洞机器的视效率。相比之下，若是热等离子体掉到中子星上，它的所有热能最终会辐射出来，不是被等离子体自己，就是被中子星的表面。

向下流入

物质骤然向紧密物体落下来，并不一直掉进紧密物体中去。由于角动量守恒，它落入大体上为圆形的轨道。只有在有摩擦力时(它消除角动量)，它才会从那里远远地掉下去。摩擦力还要使增长气体升热。如果气体有效地冷却下来，它就失去轨道能，形成平而薄的结构——一个增长盘。在许多双星系统中已经观察到这样的盘。但是如果它有ADAFS时，冷却无效，物质将近乎球形。

早在1977年，东京大学的Setsno Iehimaru就应用这个概念来解释厚重双星CygnusX-1的几种性质，这个双星包含着首次被公认的黑洞候选物。但是由于某种原因，他的工作默默无闻。近来有许多人积极地致力于ADAFs工作。从1994年开始，用的是简单的光学稀薄ADAFS模型。他们是哈佛大学的R · 纳拉扬(R. Narayan)和易英修(Insu Yi，哥德堡(瑞典)大学的M · 阿布拉马威茨)(M. Abramowicz)和秦西明(Ximing Chen)，京都大学的Shgjikato， 海法(以色列)技术大学的0 · 李格夫(O. Regev)，还有我。在把它交给这些(还有其他许多)研究者之后，ADAF模型接连取得成功。举例说，ADAF解释了我们星系中心的能谱，证明了在1982年的一次会议上由剑桥大学的M · J · 李士( M. J. Rees)提出的一个假设。

有一类双星系统叫静止态瞬变现象，看起来包含着双组分( two-component)增长盘。这些系统大部分时间在静止态中度过。从静止态中观察到的大部分微弱辐射是由ADAF放出来的。它们偶尔放出一辐射的强爆发。因为ADAFS内在的稳定性，这些突然爆发一定是在外盘中触发的。

1996年4月20日，一个天文学家组一一麻省理工学院的曼克林托克(MeClintock) ，R · 黎米尔赖德(R. Remillard)，宾夕法尼亚大学的J · 奥罗兹(J. Orosz)和耶鲁大学的C · 贝林(C. Bailyn)一一正在观察X射线瞬变GROJ1655-40。看起来好像观察出了毛病，但事情立刻就明白了，他们捕捉到一个非常罕见的事件：一次突然爆发。真是幸运！在接着的5天里，系统的可见光亮度增大了，但X射线仍然检测不到。

到了第6天，X射线开始放射。正如斯特累斯堡天文台的J-M · 哈米来(J-M. Hameury)、曼克林托克、纳拉扬和我所证明的那样，延期恰好是我们期望于双组分增长流的。外盘远离黑洞，放射的是光而不是X射线。这样，当一次突然爆发开始时，只看到可见光波长。接下去，物质更急速地向黑洞扩散，稀薄的ADAF区域充填起来，直到开始放射X射线。观察结果是绚丽的，它是这个理论的意外证明。

天体物理中心的纳拉扬，曼克林托克和M · 加西亚(M. Garcia)应用静止态X射线瞬变首次提出定量的判据，把坚硬表面物体(中子星)和没有坚硬表面的物体(黑洞)区别开来。随后，我提出一个不同的判据，它是基于这样的事实：静止态中子星瞬变应当比以相同速率增长的黑洞亮。虽然增长速率不能直接测量，但轨道周期却能充当代理人，因为两种周期相同的物体应该以大体相同的速率吞噬物质。综上所述，研究者们期望黑洞系统比相同轨道周期的中子星暗淡。由于这种系统的轨道周期只有少量是知道的，所以所期望的区别至今还没有建立起来。即便如此，对于任何给定的轨道周期，已被确认了的黑洞的确比中子星暗淡。

虽然最近的工作在简单ADAF模型上有一些麻烦，因为它不考虑外流量。然而更一般的模型仍然要求黑洞的存在以重现观察结果。流入黑洞的模型仍然是非常活跃的研究领域。总之，过于厚重以致不能是中子星的物体，现在可以把它从黑洞候选物目录中挪到被确证了的黑洞上去。只有有事件视界的物体才能引起能量以天文学家对这些系统所推断的那种方式消失。即将得到的由轨道X射线天文台(如Chandra和XMM)提供的观察结果应当加人这个清单。黑洞也许还是黑的，但是它们不再能在伪装下藏匿起来。我们正学会如何撩开它们的面纱。

[ Scientifie American，1999 年5月]

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* 法国国家科学研究中心的领导人之一，从1987年到1998年，他任巴黎天文台相对论天体物理和宇宙学部主任，近来参加巴黎天体物理研究所工作。