第四节 恒星的晚期演化

红巨星、行星状星云和白矮星

    恒星内部结构模型在说明恒星在主星序阶段的演化方面是相当成功的。对于不处在主星序阶段的红巨星，这种恒星模型是否也适用以及适用到什么地步？让我们先试做着看看。

    以可能观测到的红巨星的整体参量——质量、半径和光度为边条件，反复调整有关恒星模型的内部参量使其能导出相同的结果，则这种新确定下来的恒星模型就代表着一颗红巨星的内部结构。设一个典型红巨星的质量、半径和光度分别为太阳的1.3，21和225倍，则可导出它的内部结构模型，如图7．9所示。图中标出了这颗红巨星内部所分的4个层次：等温氦核心，能量产生层，辐射能量转移层和对流包层。其中等温氦核心的半径只有整个星体半径的0.1％左右，能量产生层的厚度比等温氦核心的半径还小一些，辐射能量转移层大约延伸到星体半径的1/10处，而庞大的对流包层则占据着星体半径约90％的范围。因为各层之间的尺度相差太大，图7．9的最内两个层次的尺度只好不成比例地画出。

    上述红巨星模型所给出的等温氦核心，几乎没有氢而只有氢燃烧过后所变成的氦。核心温度虽然高达4000万度，但还不足以引起氦聚变为碳的核反应。在这种缺少新能源的情况下，核心内的温度一般应保持不变。此外，氦核心虽然很小，但质量却不少于星体总质量的1/4，这表明等温氦核心的密度高达3×105g/cm3。这个密度趋近于白矮星物质的密度，具有更深远的意义。包围着等温氦核心的很薄的壳层，还在进行氢核聚变反应，是整个星体的能量产生层。在该层范围内，物质的温度突然从4000万度下降到2500万度，而密度则只有等温核心的密度的几千分之一。在核反应层之外，则相继是辐射能量转移层和对流包层。这些层次顺序虽然同类太阳主序星的内部层次相同，但红巨星的对流包层却厚得多，且占有大约70％的星体质量，具有相当高的不透明度。

    红巨星等温氦核心的出现，表明其中心区域的氢燃料已经耗尽，氢核聚变反应只能在其外很薄的层内进行，并导致星体内部收缩而外部胀大。这正是恒星离开主星序而变为红巨星的根本原因。而恒星一旦变为红巨星，也就进入了恒星演化的晚期阶段。与恒星在主星序阶段的演化不同，恒星的晚期演化则是相当“快速”的。这一论断既可以通过适当改变恒星模型的化学组成和物理参量从理论上导出，又可以通过恒星的赫罗图从观测趋势上看出。图7．10是一颗类太阳恒星在赫罗图中的演化程示意图。该恒星在赫罗图中的位置，如果是处在主星序阶段则可在几十亿年期间内保持大致不变；而如果是处在红巨星阶段则会在短得多的期间内沿着右上分支方向“快速”移动。图中的实线是从理论上导出的右上分支，而围绕该实线附近的无数个黑点则是从观测上看到的球状星团M3中的红巨星。[NextPage]

    值得注意的是，本来是等温的氦核心，由于“吞入”其表面薄层氢燃烧所产生的氦，质量会有所增加，核心中心的密度和温度也会随之上升，这种情况达到一定程度后，光子（γ）和电子（e-）便会很快发生

    种中微子致冷效应会使核心中心的温度低于周围的壳层温度。这个在氦核心之内并包围着核心中心的壳层本来就充满氦，现在温度又增高，因而会发生由氦聚变为碳的氦燃烧现象。由于氦的聚变是在高温度和高密度情况下进行的，所以这种氦燃烧会进行得相当迅猛，通常称之为“氦闪跃”。考虑到氦核心表面还有一个氢燃烧壳层，这时的红巨星就具有双壳层核能源的内部结构，如图7．11所示。图中的尺度不是按比例画的，且忽略了核心外的辐射区和对流包层。

    在红巨星的演化进入氦闪跃阶段时，由于是两个壳层的核反应提供能量，所以它的光度会比它作为主序星时的光度增大上千倍，如图7．10所示。此时以后的演化情况就变得非常复杂了。因为在氢燃烧层提供能量的基础上，又突然增加了氦燃烧层所提供的能量，使得总能量释放过程的细节变得很复杂。此外，当内部温度一旦高到可以使碳发生核聚变时，情况会更加复杂。因为碳聚变反应的产物可能是镁、氧、氖或钠，它们是以一定的几率比例生成的，带有很大的不确定性。在这种情况下，严格定量的红巨星内部结构模型是不能由迄今为止仍使用的电子计算机给出的，只好根据某些观测事实定性地加以推测。

    图7．10所示的球状星团M3中的众多红巨星，从观测上看，在氦闪跃以后有向左下水平分支演化的趋势。这种趋势是不能从严格的恒星模型推导出来的，但如果人为地加上通过对流包层所引起的质量损失这个约束条件，还是可以得到与实测相拟合的近似结果的。如图中的虚线所示。考虑到作为主序星的太阳每年尚且将10万亿t的物质以太阳风的形式吹到宇宙中去，那么，作为进入晚期演化阶段的红巨星，有那么厚的对流包层，从那里吹出的恒星风所造成的质量损失显然要大得多。因此，上述约束条件虽然不算严格，但还是比较合理的。

    但是，在水平分支过后，图7．10中就没有观测到红巨星了，而模拟的晚期演化曲线却向下直指白矮星。要定性解释这一演化历程就得分析有关行星状星云的起源和消散情况了。图7．12所示的一个行星状星云称为宝瓶座的螺旋星云NGC7293，这种很年轻的星云的直径只有几个天文单位，平均质量约为0.2个太阳质量，物质的密度约为10-4g/cm3，这相当于太阳光球密度的100倍，热的中央星（如果存在的话）由于是被包在行星状星云的厚气体层里面，所以在可见光波段通常是看不见的。

    在红巨星演化末期，其对流包层逐渐胀大进而完全脱离内部本体成为行星状星云。这一过程的定量理论虽然尚未有人提出，但从定性分析看来，可能的原因是：对流包层中存在着周期约为1万年的强烈的振动过程；在红巨星光球层以下的部分区域存在着比太阳强大得多的对流运动；作为行星状星云前身的红巨星，其极高的光度意味着它的辐射流压力有可能将外层驱赶走。最可能的情形是上述三种机理都在一定程度上起作用并最终导致外包层完全脱离红巨星内部本体而成为行星状星云。

    随着红巨星的外包层向外膨胀而成为行星状星云，它的内部物质则向内收缩为更小的中央星，有的中央星的直径甚至可以与地球直径相当。在这种情况下，中央星与行星状星云之间的引力作用小到可以忽略不计，而行星状星云则可以大约30km/s的速度继续向外扩大。可以设想，经过上万年或更长的时间以后，行星状星云会越来越大、越稀薄，并最终消散在宇宙空间中成为新的星际物质组分。此时，失去了外包层的中央星就迅速趋向稳定状态进而成为正式的白矮星。例如，图7．12的行星状星云NGC7293有一个很弱的中央星。该中央星的绝对星等为13．5，温度在100000K以上，因此它的直径略大于地球直径。如果取中央星的质量为1个太阳质量，则平均密度为每立方厘米数百千克。这正是白矮星的典型密度值，即在红巨星内核孕育的中央星逐渐成熟，一旦有关的行星状星云消散，它自然就变成了正常的白矮星。

白矮星是红巨星脱去外壳后所裸露出来的内核，主要由表面薄层包围着的核球构成。其中的核球是一系列核聚变产物——碳、氧、氖等较重元素的混合体；而表面薄层内则可能含有没有燃烧的氦甚至（或）氢。在不具备进一步核聚变反应的条件、核燃料趋于枯竭的情况下，白矮星能够维持稳定的内部结构，即它具有不变的质量和半径。例如，最早发现的白矮星——著名的天狼星伴星，质量约与太阳相当，半径约为4500km，这样，它的平均密度则应该是5000kg/cm3。如此高的密度意味着分配给每个重元素所占的空间必然很小，它们都不能以正常的原子尺度（～10-8cm）存在。原先分别围绕各自原子核运动的电子现在都得混杂在一起形成一团所谓的简并态的电子气①。此时，原子核和电子都是赤裸裸的，各自只占大约10-13cm的尺度。这种电子简并态的物质很难进一步压缩，它能抗住白矮星体自身的强大引力，使其维持平衡的结构。但是，如果白矮星的质量超过钱德拉塞卡（Chandrasekhar）极限质量Mc，则星体将会进一步坍缩乃至引起更加严重的后果。对于质量不变而且不自转的理想恒星，Mc=1.2M⊙ ；而对于一般恒星，则取Mc=1.4M⊙。

两种类型的超新星

    我们常见的恒星，它们的亮度和相对位置都是“恒定”不变的，一般均属于主序星。可是，偶而也会在原来看不到星的地方突然看到新出现的星——新星。新星在极大亮度时的绝对星等可达到-7以上，这相当于比太阳亮几万到几十万倍。绝大多数新星是密近双星。估计每年在银河系中会出现几十颗新星，但由于银盘内星际吸光尘埃介质的遮挡，只有极少数新星才能被观测到。

    更加新奇的是，有的新出现的星甚至更亮，其光度可达到普通新星极大光度的几万倍，这类星直到1934年才被兹威基（F．Zwicky）和巴德（W．Baade ）称作超新星。如果把星体亮度的大起大落说成是该星体的爆发，那么，新星的爆发则不是“致命”的。因为新星往往具有重复爆发的特性，间隔时间可达几百或几千年。这意味着在每一次新星爆发后，星体将回复到与爆发前大致相同的状态，即星体的基本结构不会发生根本性改变。然而，超新星爆发则不同，这不仅因为它的极大光度远远超过新星爆发，而且因为它不具有重复爆发的特性。迄今为止从未看到任何一颗超新星能连续两次达到相同的极大光度。这意味着恒星经过超新星爆发以后，它的内部结构发生了不可挽回的根本性改变，即整个星体发生了爆炸！因此，超新星爆发很像是恒星衰亡前的一次“回光反照”。[NextPage]

    从光度和光谱两个方面进行的观测研究表明，超新星可以近似地分为两种类型。Ⅰ型超新星的光度随时变化曲线（光变曲线）的相似性是比较明显的：亮度在迅速上升到极大前后的一段时间内大致保持不变，然后经过一段短时间的迅速下降，便转入较长时间的平缓下降阶段，如图7．13所示。Ⅱ型超新星的光变曲线则彼此相差很大，但它们的极大亮度的延续时间总比Ⅰ型超新星的短，而且结束阶段的曲线要陡得多，有时还出现第二个次极大等特征，如图7．14所示。

    两种类型超新星的光谱也有所不同。主要是Ⅰ型超新星的氢线不是很弱就是完全看不见，而Ⅱ型超新星的氢线则是最强的谱线。这表明两类超新星的包层有着不同的化学组成。

    在光度、光谱观测的基础上，再结合有关知识，还可以进一步归算出超新星爆发的许多重要物理参量。例如，如果知道超新星所在星系的距离，就能由视星等（视亮度）求出超新星在光度极大时的绝对星等；一颗绝对星等为-19m的超新星，其光度高达3×1036J/s，即相当于 100亿倍的太阳光度！从光度曲线可以推知，该超新星在几个月的爆发期间内能辐射出多达1043J的能量，而这相当于太阳在10亿年内所辐射的全部能量。又如，考虑到超新星爆发时，星体包层气体会四散飞出，其中有关元素的谱线也会展开得很宽，根据多普勒效应即可推知气体的飞出速度约为10000km/s。通过光谱资料的进一步分析，还可以粗略估计出，Ⅱ型超新星爆发时所抛出的包层的质量超过1M⊙；这清楚地表明这类恒星在爆发前的质量比太阳大得多。而对于Ⅰ型超新星爆发时所抛出的质量则要小些，具体情况还得用更多的方法予以确定。

    兹威基从1933年起首次进行的超新星巡天观测，就在不同的星系中观测到超新星。在此基础上，他估计一个星系平均每360年经历一次超新星爆发。随着观测手段的完善，新发现的超新星也日益增多，但到20世纪90年代初也不过700多颗。从已发现的情况看来，Ⅱ型超新星只出现在旋涡星系的旋臂内；而Ⅰ型超新星则只出现在椭圆星系、不规则星系和旋涡星系的旋臂外区域。这意味着Ⅱ型超新星的前身星是大质量的短寿命恒星，而Ⅰ型超新星的前身星则是质量较小的长寿命恒星。因为旋臂是恒星和星际介质最为密集的场所，大质量的气尘复合体最易于在那里形成大质量的恒星，而由于大质量恒星的辐射功率大，能量消耗快，所以它在主星序阶段的停留时间不可能超过几千万年。相比之下，在椭圆星系内以及在旋涡星系的非旋臂区域，只含有很少的星际物质，因而其中的恒星形成过程早已结束，结果自然只留下那些质量较小而寿命很长的恒星，它们才可能成为Ⅰ型超新星的前身星。由此看来，Ⅱ型超新星爆发的光变曲线更加复杂而且光谱中含有最为丰富的氢谱线等情况，均同它们的前身星有密切关系。

恒星爆炸与中子星

    导致超新星爆发的恒星爆炸，为什么能在如此短的期间内释放出那么巨大的能量？首先想到的可能机制自然是核能的释放。因为在核聚变反应中，质量亏损为Δm的恒星就能释放出Δmc2的高额能量E。而一般恒星的核燃料储备都很丰富，如果能在短期内通过核燃烧释放出一大部分能量来，是有可能满足超新星爆发需要的。这里的关键是大量能量释放的短期性。在恒星从红巨星演变成白矮星过程中的能量释放就不具备这种短期性，随着行星状星云的逐渐消散而裸露出来的白矮星，是靠 缓慢消耗自身所积存的热能而长期发出辐射的，一般不会引起超新星爆发。这样看来，应当考虑质量更大的恒星在晚期演化中出现超新星爆发的特殊机制。除核能外，星体自身坍缩时所释放的引力能可能有更重要的作用。而从两种类型的超新星观测来判断，这种质量更大的恒星则至少还可以分为较小质量恒星和大质量恒星两类。

    对于处在晚期演化阶段的较小质量的恒星，可以方便地采用如图7．15所示的结构模型。其核心部分以碳为主（并包括氮、氧和氖）的轻元素相对于氢的丰富度比太阳内部高得多，这就为恒星的爆炸准备好了一个堆满了危险性核燃料的“火药库”。在核心部分达到10亿度左右的极高温度下，便会发生所谓的碳爆炸反应，诸如12C+12C→20Ne+4He和12C+12C→23Na+p等。这些反应的特征时间大约是1s，比能可达到5×1010J/g。因此，如果有质量等于0.1M⊙的物质发生这种爆炸性核反应，则将释放大约1043J的能量。这已经接近Ⅰ型超新星爆发所释放的能量了。事实上，人们没有能在第谷超新星、开普勒超新星中找到中子星这样的致密天体，看来这类超新星的前身星有可能由于发生过碳爆炸而崩毁了。

图7．15所示的晚期恒星也可能通过另一种方式引起恒星爆炸。如果核心的碳点燃后只是相当平稳地进行核聚变反应，尚达不到碳爆炸的地步，那么核心区的质量会愈来愈大但星体只是缩小而并不碎裂。考虑到核心区内的碳还可能由其表面附近的氦聚变反应来供给，这种质量增大的趋势会延续下去，直至等于钱德拉塞卡极限质量Mc=1.4M⊙，这时具有白矮星特性的核心区，由简并电子气体产生的压力达到它所能抗衡的引力的极限；核心区的尺度也缩小到白矮星所能容许的最小尺度。此后，随着核心区质量继续增大，使其具有超过钱德拉塞卡极限的过剩质量，则会出现灾难性的引力塌缩。由于核心区收缩到简并电子不能“存身”的地步，它们既不能以完全相同的状态两两挤在一起（受泡利不相容原理①的制约），又不能向核心区外逸出（受强大引力的约束），只能被迫挤进各个轻原子核内并迅速与其中的质子结合而变为中子。这一过程可能在几秒钟内突然发生，其结果是使上万千米大小的白矮星坍缩成为只有10km大小的中子星，总共释放的引力能可高达1046J。可是，由观测推知的超新星辐射的总光能和抛出物质的总动能共约1044J，即只有总引力能的1％，因此，引力坍缩的能量可能主要是以中微子的方式释放出来的，但这有待于进一步的观测来证明。一旦具有过剩质量的白矮星通过超新星爆发而塌缩成为中子星，则有更加强大的中子简并气体压力来抗衡自引力，以阻止星体的进一步塌缩。中子星的密度和原子核的密度相当，约为水的密度的1015倍。一块火柴盒大小的中子星物质在地球上的重量超过数亿吨，要用数万艘万吨巨轮才能拖得动。这种致密得难以令人置信的天体，直到1967年通过射电脉冲星的发现才首次得到了观测的证实。

    我国《宋史·仁宗本纪》上说：“嘉祐元年三月辛未（1056年4月5日），司天监言：自至和元年（1054年）五月，客星晨出东方，守天关（金牛ξ座星）。”《宋会要》并补充说，该星“昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”这些珍贵的史书记录描述了著名的1054年超新星爆发时肉眼所见的情况，包括时间、位置和亮度变化等重要内容。这颗超新星爆发后的遗迹则是后来用望远镜仔细看到的蟹状星云。如图7．16所示，蟹状星云的形状像一个相当规则的椭圆，角尺度约4′×6′，折合的平均半径约为3.5光年。现代测定蟹状星云的膨胀速度约为1500km/s，由此往回推算它大约应在900多年前开始膨胀，正好与宋史记载的“客星”出现的时间相符。1964年在月掩蟹状星云的过程中，从该星云的中心处探测到一个不超过0″.1的极小角直径的射电源，1968年并进一步发现该射电源实际上是一颗射电脉冲星，而脉冲星正是既高度磁化又高速自转的中子星，从而第一次把中子星的起源同超新星爆发从观测上联系了起来，它表明1054年人们所看到的超新星的确是一场壮观的恒星爆炸事件。爆炸的残骸既包括中心的中子星，也包括四周的蟹状星云。这个残骸已经存在了近千年，但并未完全死亡。因为从爆炸事件中形成的相对论性的高能粒子（包括电子、质子、α粒子等）一直在向四周输运，以维持蟹状星云的长达数百年的光学辐射，特别是X射线辐射，并使星云的气态纤维体适度加速。从纤维体的质量约为0.25M⊙以及中子星的生成等情况判断，1054年的超新星属于Ⅰ型超新星，并适合用具有超极限剩余质量的白矮星模型来解释。这颗白矮星甚至可能在其外围的行星状星云还来不及消散的情况下就发生了爆炸，因受到爆炸的影响，该行星状星云就变成了我们现在所看到的蟹状星云。

    关于大质量恒星的爆炸问题，也应当先从它的内部结构上来考察。从赫罗图的观测结果看来，质量在10倍太阳质量以上的恒星，光度大，表面温度高，在主星序阶段停留的时间很短。这表明大质量恒星的内部温度必然更高，它储存的核燃料虽多，但消耗得也快。在那里必然进行过更多的核聚变反应并生成愈来愈复杂的元素：内部的氢燃烧成氦后，氦又燃烧成碳，以及碳又燃烧成更重的元素。这些聚变反应的产能效率（单位质量所能释放的能量）虽然一个比一个低，但反应发生的几率则一个比一个大，直到生成铁族元素为止。因为铁要聚变成更重的元素不但不能产生能量，反而要消耗很大能量，所有比铁更重的元素只能在裂变时才产生能量，因此，大质量恒星在核燃料趋于枯竭并且尚不具备发生新的核反应条件下，它就要离开主星序而进入晚期演化阶段，并可能具有图7．17所示的内部结构模型，包括：铁核心，主要由碳、氮、氧和氖等轻元素组成的“幔”，以及由氢和氦组成的外壳等许多层次。

    大质量恒星的内部结构一般是不很稳定的，特别是到晚期铁核心形成后，那里不可能发生产生能量的聚变反应，向外的压力很难抗衡强大的引力。这样，铁核心就会因收缩而升高温度。所多余的热能在使铁发生聚变反应以前，就可能通过两种“致冷机”的作用而释放出来。首先是铁原子核分裂成众多的α粒子和中子要吸收大量能量，相当于每克铁核要吸收2×1011J的能量才能分裂，这是一种有效的致冷机。接着铁分裂之后，便有释放中微子的致冷作用。当铁致冷机消失后，中心区的温度将再次极快地升高。当核心被加热到200亿度，密度大约是1010g/cm3时，α粒子将开始分裂，从而出现极大量的自由质子（p）和中子（n），它们同正、负电子（e+，e-）作用便产生大量

    新形成的粒子将从核心逃离，带走大量能量。这是另一种威力更大的致冷机。

    中微子辐射的极大能量是从收缩核心的引力能取得的。如果这种收缩进行得更快（可称之为坍缩），则有可能使核心的温度升到400亿度，密度约为3×1011g/cm3，此时核心将变得对中微子不透明，并严重地延缓收缩过程。直到核心密度接近3×1013g/cm3、温度超过1000亿度时，它将停止收缩。核心外的包层，也将停止向中心坠落并被迅速加热，从而使作为“火药库”的幔内的轻元素因剧烈聚变而爆炸。爆炸前星体坍缩的复杂过程大约是在不到1s的极短时间内发生的。计算表明，在如此短的期间内发射出的大量中微子的总能量可达到1045J左右，差不多相当于星体抛出的包层动能的100倍！这表明，在星体因坍缩而释放的引力能中，至少有99％被中微子带走，而只有几乎不到1％的能量才会以高能粒子的动能和电磁辐射能的形式表现出来。[NextPage]

    1987年2月23日，在大麦哲伦云中发现一颗超新星（以SN1987A命名），为检验大质量恒星的爆炸理论提供了最新的珍贵观测事例。从光谱上看，SN1987A有很强的氢线，是一颗Ⅱ型超新星，其前身星是一个大质量的蓝巨星。这个蓝巨星的核心质量约为6M⊙，而它在主序星阶段的总质量则高达20M⊙左右。特别是发现了来自SN1987A爆炸时的中微子，更是第一次证实了引力塌缩导致恒星爆炸的理论预言，这也是河外中微子天文学诞生的首要标志。哈勃空间望远望镜和欧洲南方天文台对SN1987A爆发后的情况所进行的反复观测，发现在SN1987A的外部遗迹中共有三个光环，如图7．18所示，大而窄的两个外环好像是套着一个小而粗的内环。据分析可能是SN1987A的前身星曾先后经历过红超巨星阶段和蓝超巨星阶段。红超巨星抛出的大量稠密气体在赤道面上形成了内环；而蓝超巨星抛出的大量稠密气体，因运动速度大并受到早先形成的内环影响，故只能在赤道面上下各形成一个大“泡”，即两个外环。在这些环状气体继续向外膨胀但还来不及完全消散的情况下，前身星的核心发生了爆炸。估计是由于受到爆炸前后抛出物质和能量的激发，才使这三个环变亮了。在1994～1996年内所进行的几次观测还表明，在三个环的中心处，SN1987A爆发后的残骸也还在迅速向外膨胀，而且已经明显地分解成两部分，中间被一条暗带所分开。这似乎表明，SN1987A因引力坍缩而爆炸，能以中微子、高能粒子和电磁波的形式向外释放大量能量，但这种坍缩尚未能到达使内部形成致密星（中子星或黑洞）的地步。

引力与黑洞

    在恒星演化过程中，引力始终起着重要作用。特别是在恒星晚期，当内部核聚变反应的能源趋向枯竭时，引力的作用更显得突出。天体物理观测研究的结果业已表明，当恒星核心的质量小于1.4倍太阳质量（m＜1.4M⊙）、半径约为5000km时，密度可达106g/cm3，此时是电子简并压力抗衡自引力，从而导致白矮星的结局。当恒星核心的质量在1.4倍到大约3倍太阳质量（1.4M⊙＜m＜3M⊙）、半径约为12km时，密度可达1014g/cm3，此时是中子简并压力抗衡自引力，从而导致中子星的结局。然而，星体核心的质量也很有可能超过3倍太阳质量（m＞3M⊙），此时中子简并压力也不能抗衡自引力，它就要进一步坍缩下去，从而导致所谓黑洞的结局。

    早在200多年前，约翰·米歇尔（1783）和拉普拉斯（1795）就各自独立地指出，一个质量足够大的致密星所产生的引力场，可以强大到连光线都不能逃逸出来。这个光线不能逃逸的区域就已经含有暗黑空洞的意思。然而，建立在牛顿力学基础上的这种猜想，很难令人理解。因为牛顿理论认为光线是以无限大的速度在空间中传播，并且在引力的作用下也是直线传播的，所以它怎么可能不会从致密星强引力场那里逃逸出来呢？直到罗麦（Olaus Roemer）关于光速度有限的发现，特别是爱因斯坦1915年提出广义相对论以后，才具备引力如何影响光的协调理论，而“黑洞”这个名字则是1969年由约翰·惠勒正式提出的。

    这样，随着m增大和r减小，υ也会越来越大：对于地球表面，是11.2km/s；对于太阳表面，是618km/s；对于白矮星表面，约为6000km/s；对于中子星表面，约为光速的60％（0.6c）。这里已含有光速c为常量的结果。而逃逸速度等于光速的表面（υ=c）则应是黑洞事件的视界，它刚好同不能从黑洞逃出的光线轨迹相重合。在视界以内，光线不能逃逸，其它物质更不可能逃逸。这个视界内的区域，就是根据相对论对黑洞所作的表述。

    广义相对论关于黑洞的推论还可以通过图7．19作进一步的显示。该图分1、2、3、4步勾画出光线从星体表面的逃逸情况直至黑洞的形成。在大质量恒星的引力坍缩之前，光线从星体表面向外是直线传播的（第1步）。由于引力坍缩，星体的半径变小、密度增大，从星体表面发出的光线有明显的弯曲，少数光线甚至不能逃离（第2步）。继续进行的引力坍缩，使星体的半径更小、密度更大，以致绝大部分光线弯曲到折返的地步（第3步）。最后的引力坍缩则导致黑洞的形成（第4步）。其中用虚线画出的圆球区域是黑洞事件的视界，在那里光和其它粒子都不能向外逃离，而只能向作为引力源的星体物质单向地下落；尤其特殊的是，星体物质本身也只能不断坍缩而变成密度为无穷大的奇点。按逃逸速度为光速（υ=c）的公式，可求出黑洞

    8.859km。然而，黑洞事件的奇点，则是有待于进一步探讨的纯理论推论。

    从观测上发现宇宙中存在的真正黑洞是不容易的。对于恒星层次的黑洞，由孤立恒星的引力坍缩而形成的黑洞是很难被观测到的。因为这种坍缩应引起较强的引力波辐射，而迄今为止任何引力波的直接探测都是不成功的，何况单颗星的质量很难准确测定。搜寻密近双星中作为强功率X射线源的黑洞，则是比较有效的方法。例如，亮X射线源“天鹅X-1”就很可能是一个黑洞。图7．20表示的密近双星系统，是用来解释天鹅X-1机理的模型。该系统由一个巨大的主星和一个中心暗黑的伴星所组成。主星是能发出可见光的B型超巨星，观测到的强X射线辐射则是从伴星周围向外发出的。从光谱线的波长周期性变化的情况判断，主星和伴星相互绕转的周期为5.6天，所以它们是靠得很近的密近双星的成员。特别重要的是，通过观测可见星在绕转轨道上的运动情况，还可以推算出不可见伴星的质量大约是太阳质量的6倍。这个伴星的质量是太大了，相应的引力坍缩的力量大大超过电子简并压力和中子简并压力；它既不可能是白矮星，也不可能是中子星，而很可能是一个黑洞。正是这个黑洞的强大引力，才能把从可见星那里吹出的恒星风拉向自己，使其沿着螺旋形轨道向中心下落。由7．20可见，越靠近中心，螺旋的直径越缩小，以致在中心周围形成一个吸积盘。在吸积盘内，恒星风物质也越来越密集，而且由引力势能转变的热能也越来越大，以致在进入黑洞视界以前这些高温物质就发出很强的X射线。在地球大气外实际观测到的也正是这种X射线。

    从外部观测情况看来，天鹅X-1很可能包含一个黑洞。但黑洞视界以内的情况如何，迄今为止还不能确定下来。按广义相对论的推断，黑洞中必然出现密度为无限大的奇点。然而，现代粒子物理学表明，包括中子在内的重子是由3个夸克组成的。如果承认由夸克组成的中子也有内部结构，那么在强大引力作用下中子就可能变得更小，以致造成更强的夸克简并压力来抗衡引力，使黑洞内的物质保持一定的体积而不致于坍缩到奇点。至于夸克是否也有内部结构，则不是现代科学所能回答的问题。但即使不管粒子的层次结构情况如何，当引力坍缩到极小的时空范围时，量子力学的规律就必需考虑了。由测不准关系导出的普朗克时间约为10-44s，普朗克长度约为10-33cm。在小于它们的范围内，时间和空间已失去原来的意义，包括万有引力在内的所有物理定律都将失效。在这种情况下，将相对论与量子力学结合起来的量子引力学似应能避免奇点的出现，但具体情况究竟如何，还只是停留在理论探讨阶段。