速度可以算出星云从膨胀开始到现在大约用了
800年。这个
数字与
1054年到现在的时间非常相近，支持了二者有联系的
观点。到底是怎样的联系呢？
以后，又研究蟹状星云当中的一颗恒星。这颗星也很奇
怪，它的光度很大，约为太阳的
100倍。但是在光谱中却看不
到谱线。它与通常恒星的光谱全然不同。
到这时候，关于蟹状星云的研究似乎是积累的问题多，解
决的问题少：1054年超新星爆发留下了什么？星云辐射的能
量是由什么提供的？中心的恒星到底属于哪一类？等等都是
没有解决的问题。然而，问题越多，越尖锐，往往预示着越接近
·94·
解决。
关键的一步是进行了光变的观测。利用快速测光方法发
现，蟹状星云中恒星的光度是变化的，它极有规则地发射周期
的脉冲。周期
T非常稳定，它是
T＝0.03310615370秒，
这是迄今为止天体现象中的最短周期。
脉冲星是一种致密天体
根据周期的稳定性可以断定它是由天体自转产生的。周
期的短促又说明自转天体的空间尺度一定很小。此外，光度
很大又表示它的质量不会太小。这样一个大质量而小体积的
天体不正是那种引力坍缩后所产生的致密天体吗？
有了这个突破点，蟹状星云中的许多问题也就迎刃而解
了。1），这颗星是
1054年超新星爆发过程中从普通恒星坍
缩而来的。普通恒星的自转周期一般是一个月。由于角动量
守恒，在坍缩过程中角速度将不断加快。所以在形成致密星
之后，它的自转周期就可以短到几毫秒。
2），精确的测量发
现，脉冲周期有极慢的变长趋势，这反映着致密星的自转在减
慢，转动能量在逐渐减少。转动能的减少值正好等于通过星
云及中心星辐射出去的能量。
这些满意的结果，最终支持了巴德、茨维基的观点：超新
星是当普通星坍缩到致密星时发生的现象。
虽然蟹状星云中心星并不是第一个被发现的脉冲星，但
·95·
是脉冲星是一种中子星这个重要的结论却主要是根据对蟹状
星云的研究而得到的。说来也很有趣，尽管几十年来不少人都
观测过蟹状星云，但它的光变性质却一直没有被发现。这也
不奇怪，因为人眼的视觉暂留效应使肉眼不能看到比
60毫秒
更短的周期或光强变化。蟹状星云脉冲星的
33毫秒周期刚
好被视觉暂留效应模糊掉了。如果蟹状星云脉冲星的周期稍
微再长一点，那么，发现致密星的故事也许早结束了。大自然
这样安排，似乎是有意要考验人们的智慧。
的确，中子星的发现是人的多方面智慧结晶。在物理理
论上，它几乎用到了从经典到相对论的全部理论。在技术上
涉及了天体测量，光谱分析及守时的工作，此外还有几百年前
中国天文学家的忠实而详尽的记录。
今天在银河系中已经记录到三百余颗脉冲星。估计在银
河系中，总共可能有
109颗这种致密天体。
至此，我们证明了关于强引力场问题的第一个理论预言：
一定存在着许多经坍缩而成的致密强场天体。
现在转向第二个问题：是否存在有限坍缩及无限坍缩两
大类致密天体？
在介绍观测证实之前，我们再仔细介绍一下有关有限坍
缩和无限坍缩的理论预言。
中子星的结构
有限坍缩可能形成白矮星、中子星，或者反常中子星、层
·96·
子星等等，名目繁多。这是因为目前对高密物态还知道得不
很清楚，结论不完全一致。但它们有许多共同的方面。我们
以中子星为代表来介绍它们。
子星等等，名目繁多。这是因为目前对高密物态还知道得不
很清楚，结论不完全一致。但它们有许多共同的方面。我们
以中子星为代表来介绍它们。
于
1.4个太阳质量的恒星，坍缩以后，压力
非常大。在这种压力下，原子中的电子几乎全部与原子核中
的质子产生俘获反应，放出中微子而使质子变成中子。因而
整个星体几乎全由中子构成。这时它的密度比水约高万亿到
百万亿倍（即约为
1012 —1014克/厘米
3）。一颗质量约等于太
阳质量的中子星，其直径仅有数十公里左右。
因为所有恒星几乎都有自转，并且存在磁场。所以，当坍
缩成中子星时，自转就会加快（这是由于角动量守恒）。磁场也
会加强，因为原来的磁场分布在恒星内外很大的范围内，收缩
之后，磁场就集中在很小的范围之中。从一颗太阳那样的星
坍缩成中子星，它的磁场会增加上百亿倍。
这样，中子星往往是一颗具有强大磁场的高速自转的星
体。一般说，磁极的方向和自转轴并不一致，正如地球的自转
图
9-1 第一个被发现的脉冲星
CP1919的脉冲式信号
轴和地磁轴也不完全一致一样。在中子星的磁极附近，磁场
特别强。电子在这个强磁场中运动就会放出很强的射电波。
·97·
射电波的发射方向主要集中在磁极的方向。当中子星的磁极
指向地球时，地球就可以接收到它发射的电波。中子星每转动
一周，我们就收到一次信号，形成脉冲式的射电波（图
9-1）。
这就是有限坍缩形成的天体的主要特征。
黑洞
无限坍缩的结局是黑洞。
早在
1795年，法国的天文学家、数学家和物理学家拉普
拉斯就曾指出，在一个质量足够大的星球表面，光线是不可能
逃出去的。按照牛顿引力理论，每个星体都有一定的逃逸速
度。地球的逃逸速度就是所谓第二宇宙速度，大约是
11公
里/秒。对质量大而体积小的天体来说，这个逃逸速度可能
大于光速。在这种情况下，星体发的光也不能发射到远处去。
因而，在外部看来，它就是一个不发光的天体。可以称它为牛
顿理论中的黑洞。不过，我们已经知道，牛顿的引力理论在原
则上是不能处理光的问题，我们不能轻信这个结果。
广义相对论中依然存在无限引力坍缩的过程。设想一个
人正站在发生坍缩的星体表面。他持有一盏强大的灯。在坍
缩之前，引力场还很弱，他的灯光可以向四面八方发射出去。
光线大体都沿着直线传播（图
9-2）。当恒星开始坍缩后，质
量逐渐集中到越来越小的范围之中。当恒星的尺度减小时，
它的表面引力就变得越来越大，引起光线弯曲。最初，只有那
些在水平方向的光线才有明显弯曲，这些被弯曲的光线并没
·98·
图
9-2
有发射出星体，而是折回到星体表面。坍缩继续下去、灯的光
线将越来越收拢。最后，所有的光线都不再能逃离星体表面。
我们说，这是恒星缩小到它的“视界”之内了。落进视界之内
的任何东西，都不可能再被外界的观测者看到。这就形成了
黑洞。
“视界”就是黑洞的表面。质量为十个太阳质量的恒星，
它的视界半径约为
30公里。也就是说，当这种恒星坍缩到约
30公里的大小时，就开始成为黑洞。
任何进入视界的东西，都不可能再出来。而且，当一颗坍
·99·
缩的星，收缩到自己的视界之内以后，就再也没有任何物理过
程可以阻止住它进一步的坍缩。它必将无限地坍缩下去，最
终变成一个点，在这个点上许多量都变成无限大，所以它叫做
“奇点”。
缩的星，收缩到自己的视界之内以后，就再也没有任何物理过
程可以阻止住它进一步的坍缩。它必将无限地坍缩下去，最
终变成一个点，在这个点上许多量都变成无限大，所以它叫做
“奇点”。
图
9-3表示一颗星在坍缩过程中的亮度变化。从图上
看到，恒星变暗的过程是极其快的。一颗质量为十个太阳质
量的星体，在开始坍缩后约百分之一秒，就几乎完全看不见
了。
图
9-3 坍缩星的亮度变化
黑洞是不毛的
有限坍缩能形成种种复杂结构的天体，而无限坍缩所形
成的黑洞却是一种极简单的东西。甚至它比任何我们看到过
的物体都简单。因为，任何物体都是由复杂的原子、分子构成
的。而对黑洞来说。我们根本不需要也不可能谈它的分子结
构。因为，无论黑洞由什么东西坍缩而成，一旦它们进入了视
·100·
界，我们就不必去管也不能管他们的细节了。因为它们不再
能给我们任何有关细节的信息。因之，本来不同质的东西形
成的黑洞却都是一样的。
界，我们就不必去管也不能管他们的细节了。因为它们不再
能给我们任何有关细节的信息。因之，本来不同质的东西形
成的黑洞却都是一样的。
按这个定理，宇宙间只有很少几种类型的黑洞，它们全都
开列在下面的表中。
名称类型特性
史瓦西黑洞
只有质量
角动量及电荷为零
球对称的最简单
的黑洞
RN黑洞
有质量及电荷
角动量为零
带电荷的球对称性
黑洞
克尔黑洞
有质量及角动量
电荷为零
轴对称的
旋转黑洞
KN黑洞
质量、电荷、角动量
均不为零
轴对称的旋转的带电
的黑洞、最复杂的黑洞
在这里要强调一点，各种黑洞都不可能具有磁极方向与
自转轴方向不同的磁场。前面介绍的中子星的那种斜向磁场
（图
9-1）结构，在黑洞中是不可能存在的。
·101·
临界质量
临界质量
根据广义相对论等一般理论，可以求出，这个临界质量约
是
3.2个太阳的质量。
总结一下有关的结果：
1．质量小于
3.2太阳质量的星体，将形成中子星等，它可
以具有斜向的磁场。
2，质量大于
3.2太阳质量的星体，将形成黑洞，它不可能
具有斜向的磁场。
这就是有关坍缩结局的最主要理论结论。
如何检验这些预言呢？
X射线双星
首先要谈一下黑洞的观测。黑洞本身是不能发出光来的，
但是，当外界物质落到黑洞周围时，由于受非常强的引力场的
作用，这些物质有可能发生很强的光，它的波长应当在
X射线
波段，甚至在
γ射线波段。
当然，孤立在天空中的黑洞，很少有外界物质落到黑洞中
去，很难观测它们。但是，天体中有许多双星，它们是由两颗
·102·
星组成的体系，相互围绕着旋转。这种体系在一定的演化阶
段时，要发生强的物质交流，即一颗星的物质要落到另一颗星
上去（图
9-4）。这样，如果另一颗星是黑洞，我们就有可能看
到它。因为这种体系应该是一个发射
X射线的双星体系。
图
9-4 X射线密近双星
（A）一个恒星的物质充满了临界面
（B）由恒星风引起的物质交流
七十年代以来，利用人造卫星或者火箭的大气外观测，发
现了一批
X射线双星。按照
X射线强度变化的特点，可以分
成两大类。
1. X射线强度有脉冲式的变化，脉冲周期非常稳定（图
·103·
9-5）。
9-5）。
图
9-5武仙座
X-1的
X射线强度变化
2. X射线强度有爆发式变化。它由许多不规则的强度
变化构成，没有任何周期性（图
9-6）。
图
9-6天鹤座
X-1的
X射线强度变化
由射电脉冲星的经验我们知道，脉冲式结构是由具有斜
磁场的中子星的发射引起的。黑洞不可能产生有稳定周期的
脉冲式强度变化。因为它不可能有斜向磁场。
这样，我们就有了一种可以检验上述理论预言的观测方
法。因为，上述理论相当于说：
1. 具有脉冲式结构的
X射线源，其质量应当小于
3.2个
太阳质量。
2. 质量大于
3.2个太阳质量的
X射线源不可能有脉冲
式的强度变化。
·104·
这两条是可以通过观测来检验的，目前的观测结果列在
下面表里
X射线双星名称
X射线源的质量
（以太阳质量为单位）
类型
半人马座
X-3
武仙座
X-1
天鹅座
X-1
圆规座
X-1
0.7±0.14
1.3±0.21
>1
~>4
周期型
周期型
爆发型
爆发型
由此可见，理论预言与观测结果很好地符合。强引力场
物理的第二个预言，可以说也比较成功地通过了观测检验的
关。
·105·
