黑洞是一种理论上存在而至今尚未找到的天体。它与其他天体本质上的区别是引力作用占据绝对的优势。在质量很大、半径很小,因而密度必然极大的星体周围,存在着极其强大的引力场。在这个较小的范围内,因为引力压倒一切,物质只能被吸引进去,而无法向外逃逸,就连光也会被吸引住辐射不出来,这个小范围(区域)被人们称为黑洞。当星体发展到晚期,热核反应因物质消耗殆尽而逐渐停止下来,由热核反应所产生的排斥作用也衰减下来。如果这时星体还保留有相当大的质量,构成星体的物质之间的各种形式的斥力就抵挡不住巨大的引力,原来处于相对稳定状态的星体就会向中心坍缩。这种坍缩若超过一定的限度,就会出现黑洞。按照爱因斯坦的广义相对论的预言,黑洞是一种特殊天体,它的基本特征是具有一个封闭的视界。视界就是黑洞的边缘,外来的物质和辐射进入视界之内,但是视界之内的任何物质不能逃跑到视界之外。黑洞因其具有巨大的质量且高度集中在范围很小的体积内,它的引力强大到使得任何物质都无法逃脱,辐射也被禁锢而出不来。黑洞虽然看不见,但是通过它的强大引力场的存在,它的质量、角动量和电荷对外界产生的影响,人们可以描述黑洞的全部特征。目前科学界普遍认为,最有可能是黑洞的天体,也许就是如银河系中的天鹅座X-1(也称为X射线星)。这种X射线星,在X射线波段内发射的功率等于太阳在所有波段上发射功率的几千倍。

有人认为这种X射线源是大质量黑洞,星团的稠密核心在经过一切崩溃性的中心坍缩之后,其中的恒星会合并起来形成这种黑洞。然而要解决这样的多体问题,在计算上和数学上都存在着极其难以克服的困难。因此直到今天,这种崩溃性的合并究竟能否发生都还没有定论。

然而大质量黑洞的倡导者们却仍坚持在高度稠密的球状星团中仍然存在着这种天体(黑洞),而且黑洞质量必须相当巨大(100～1000倍太阳质量),才能以极大的速度吸引恒星风喷流出来的气体以及恒星正常的核燃烧损失的物质。这种喷流出的物质掉到星团中心,通过吸积添加到黑洞中去,从而产生X射线。

关于产生黑洞的假说至今有两种：一是“双星俘获模型”;二是“大质量黑洞‘真空吸尘器’模型”。可是时至今日尚未找到有关决定性的证据。然而有一个事实却是同上述两个假说都不矛盾的,这就是银河系中球状星团X射线源往往是在中心密度很高的星团中先出现的。截至1977年,人们已经找到20多次爆发的X射线源。

1967年,天文工作者发现了一种“奇异”的新天体,它以极其精确的时间间隙发出极为规则而又短促的无线电脉冲信号。开始人们还以为是宇宙中有文明的生物向地球发来的“电报”,因此曾一度将这种信号称为“小绿人”。后来经过研究发现这种信号是一种星体发出的。目前已发现的这种星体有上千个之多。这种星体是一种超高温、超高密度的物质,它的中心温度竟然高达60亿摄氏度,它的磁场强度极强,高达1万亿高斯(而宁静的太阳表面只有几高斯的磁场强度)。此类星体的物理特征是：质量同太阳相当,体积都很小,直径只有20km左右。因此,密度极高,每立方厘米约1亿吨。它的辐射能量极大,约为太阳的100万倍,真是一种十分诡异的星体。

大质量恒星寿命终结时会在超新星爆发中粉身碎骨,外层被炸飞。但是,如果恒星遗留下来的内核质量超过太阳质量的1.5倍,就会坍缩成主要由中子以及少量的电子和质子组成的中子星。中子星以均匀的时间间隔辐射脉冲,因此它也被人们称为脉冲星。而所谓脉冲就是像人的脉搏一样,一下一下地发出短促的信号。

人们为什么可以收到这种十分有规律的脉冲信号呢?原因在于带电粒子沿着脉冲星的磁力线旋转运动,从而产生了辐射束,而辐射束的放射轴和中子星的自转轴又并不是一致的,中子星沿着自转轴高速旋转,只有辐射束恰好扫过地球时,才能被观测到,因而形成了脉冲。脉冲的周期,其实就是脉冲星的自转周期。

如果有人想要去访问一下中子星,要想在中子星上着陆,将是永远不可能的事。由于中子星表面强大的引力,在一瞬间就会把人们坐的飞船和飞船中的一切都压碎成一摊糊状的亚原子粒子。中子星自转具有极其稳定的周期,因此,它被称为自然界中最精准的天文时钟。科学家们相信,未来中子星可以成为人类在宇宙航行的灯塔。

在20世纪30年代就有科学家预言了中子星的存在。1968年2月英国剑桥大学的贝尔和他的导师休伊什联名在英国《自然》杂志上报告发现了一种新型天体——脉冲星,同时,科学家们通过计算发现,只有像中子星那样体积小、质量大、密度高的天体才有可能产生这样的脉冲强度和频率。由此,中子星才真正从假说变成了事实。到今天为止,科学家们已在宇宙中发现了2000多颗脉冲星。

对于脉冲星来说,由于它具有超强的引力场、电磁场和核密度,可以说它是极端物理的天然实验室。通过研究脉冲星的X射线辐射,人们将可以测量其表面的磁场强度,研究高密度、强磁场条件下物质的性质。

目前科学家在实验室能够制造出来的最强连续磁场约为50特斯拉,脉冲磁场约为100特斯拉[过去称为高斯(G),现在称为特斯拉(T),1G=10-4 T]。由于中子星的表面磁场比地球上最好的实验室所能制造出来的最强的磁场强度至少高百万倍,强到使得它周围的真空都成为晶体。这样的物理规律是有理论预言的,但这个理论是对还是不对,需要通过观测来验证。另外,中子星可能是迄今为止人类已知宇宙中能量级最高的加速器,因此很多无法在地球上的加速器上开展的工作实验,可以通过观测中子星来研究。

我国在2017年6月15日发射的硬X射线调制望远镜“慧眼”(这个命名,寓意中国在太空“独具慧眼”,同时也为纪念推动中国高能天体物理发展的已故科学家何泽慧),能穿过星际物质的遮挡“看”宇宙中的X射线。这颗“慧眼”的升空,将揭示宇宙中惊心动魄的图景。尤其是其高能望远镜的探测面积超过了50m2,是国际上同能区探测器中面积最大的。由于“慧眼”具有较大的视场,所以巡天银河系是它最重要的使命。人们期望它能发现一些新的黑洞和中子星。(www.daowen.com)

人们更期待“慧眼”有意外的新发现,因为人类至今已经探测到了几次引力波,科学家们想找到与这种引力波相对应的电磁波信号,但到2016年为止,科学家所发现的引力波还没有一种找到电磁对应体。如果只在一个波段观测,往往信息是不完整的,因此人们非常希望看到引力波产生时也有X射线、伽马射线或其他波段的信号,这些人们比较熟知的电磁波信号将能够帮助人们更好地认识引力波。如果能发现引力波的电磁对应体,可能将成为“慧眼”最令人振奋的科学成果。也许通过这个巡天望远镜,人们会发现预想不到的新天体。2017年8月7日,LIGO和Virgo捕捉到两个中子并合而产生的引力波信号,国际上的望远镜对其电磁信号进行了成功观测并找到了电磁对应体。而中国的“慧眼”和“AST3-2”成功参与了电磁对应体的观测。

从1964年美国探空火箭所携带的探测器发现的第一个黑洞(即天鹅座X-1)开始,美国于1977年8月发射了第一颗高能天文卫星,1978年发射了HEAO-B,它带有第一个装在卫星上的成像X射线望远镜,到2014年美国科幻大片《星际穿越》描绘了黑洞的模样,人们对黑洞这个吞噬一切的神秘天体的探寻和想象从未停止。中国发射的“慧眼”,实在是一台来之不易的太空望远镜,它凝聚了我国几代科学家的智慧与心血,它将带动中国天文学研究整体发展,实现空间科学的重大突破。

我国的“天眼”是当今世界最大的一流的有着500m口径的球面射电天文望远镜,其接收面积相当于30个标准足球场,它可以窥探星际之间互动的信息,观测暗物质,测量黑洞质量,甚至搜寻可能存在的星外文明。既然有了“天眼”又何必再发射“慧眼”?这就是局外人所不了解的。因为探测宇宙中的硬X射线对人类了解黑洞等致密天体的活动,揭示宇宙的奥秘非常重要。硬X射线不能穿透地球大气层,因此,探测黑洞、中子星等天体发出的硬X射线的重要任务就只有利用“慧眼”飞出大气层去完成。

“慧眼”由长征四号乙运载火箭送入550km的近地圆轨道,实际上它是一座小型空间天文台。它可以扫描银河系,监视恒星爆发,测量黑洞质量,并希望能对银河系中的黑洞和中子星做出比较详细的普查。对其做适当的调整,它还可以用来观测宇宙中的伽马射线暴。

总的说来,我国的“慧眼”在未来的几年时间里,可以“扫描整个银河系,对大天区进行巡视,发现新的高能天体;也可以“凝视”,即对几十个经典的X射线源进行长时间的定点观测;测量一批黑洞的质量和参数,以及中子星表面的磁场强度、质量和半径,为甄别黑洞形成和中子星内部性质的理论模型提供依据。

借助于“慧眼”的伽马射线暴工作模式,人们能获取新的伽马射线暴及其他剧烈爆发现象,这些将帮助人类进一步理解高能天体剧烈爆发的基本属性,研究宇宙深处大质量恒星的死亡以及中子星合并等过程中的黑洞形成。

黑洞是人们看不见的天体,人们研究它,一是靠强引力所导致的时空扭曲来感知它;二是看星星围绕着谁在运动,因为在大多数情况下星系的中心都存在一个大质量黑洞;三是黑洞吞噬恒星物质时,这些物质会被黑洞巨大的引力撕成气体,形成一个吸积盘而发出极强的X射线,从而可以推断黑洞的存在。另外就是利用引力波探测。

2017年6月,美国激光干涉引力波天文台(简称LIGO)宣布,他们第三次探测到了一个由双黑洞合并成的天文奇观。这两个黑洞：其中一个的质量约相当于32个太阳的质量,另一个的质量约相当于19个太阳的质量,它们距人类居住的地球约30亿光年。

该天文台报告称：2017年1月4日,这个双黑洞合并时产生的引力波抵达地球时,以3毫秒之差被LIGO设在两个不同地点的引力波探测器收到。这个双黑洞合并后的总质量约相当于49个太阳的质量,约有2个太阳的质量以引力波的形式释放出来。

黑洞、中子星碰撞时可能产生引力波。100年前爱因斯坦的广义相对论就预言了引力波的存在,但长期缺乏实验证据。

LIGO的成功探测被认为是物理学和天文学的重要里程碑。之前人们对宇宙的所有了解几乎全来自于光。而今,引力波观测已经成为人类认识宇宙中的奇异天体和宇宙中发生的剧烈事件的一种重要的工具。