假如你是天文学家，X射线令你烦恼的地方在于，它们不能穿透地球大气。（对人来说，这是好事，因为X射线会诱发癌症和变异。）
幸运的是，富于幻想的实验物理学家们在美国海军研究实验室（NRL）的弗里德曼（Herbert Friedman）领导下，从40年代就开始在为空间X射线天文学打基础了。二战后不久，弗里德曼就和他的伙伴们用缴获的德国V-2火箭发送仪器研究太阳。弗里德曼描述过1946年6月28日的第一次飞行。他们在火箭头上装一台摄谱仪，探测太阳的远紫外辐射。（跟X射线一样，远紫外辐射也不能穿透地球大气。）经过短时间大气上空飞行，收集数据后，“火箭返回地球，头朝下，流线式地飞落下来，埋进一个直径约80英尺[24米]、深30英尺[9米]的大坑，挖了几个星期才挖出一堆难以识别的碎片，火箭仿佛在坠落时‘蒸发’了。”7
从这个不幸的结局开始，弗里德曼等人凭他们的创造力、坚韧精神和努力工作，终于将紫外线和X射线天文学一步步建立起来了。1949年，弗里德曼和他的同事们用V-2火箭载盖革计数器上天探测来自太阳的X射线。50年代后期，他们的计数器搭上了美国造的高空探测火箭，不仅探测太阳辐射，也探测恒星辐射。不过，X射线是另一回事。太阳的X射线每秒钟落到计数器的数量是每平方厘米100万，所以探测太阳的X射线相对要容易一些。但是，据理论估计，最亮的X射线星也比太阳暗10亿倍，探测这么暗淡的一颗星，需要的探测仪应比弗里德曼1958年用的灵敏1 000万倍，这个要求很高，但不是不可能。
到1962年，探测器提高了10 000倍，就等后来的1 000倍了。这时，在弗里德曼的进展激发下，其他研究小组也来竞争了。其中，贾柯尼（Riccardo Giacconi）领导的一组将成为最有力的对手。
贾柯尼的成功，泽尔多维奇也可以说有特别的一份功劳。1961年，苏联令人意外地废除了苏美两国3年不搞核武器试验的协议，进行了一次人类最大威力的原子弹试验——就是泽尔多维奇和萨哈洛夫的小组在基地设计的那种原子弹（第6章）。美国恐慌了，也准备搞自己的新试验。这将是地球轨道飞船时代美国的第一次试验，也是第一次有可能在空间探测核爆炸放出的X射线、y射线和高能粒子，这些观测对监测苏联未来的核试验是很重要的。不过，为了观测即将进行的一系列试验，美国还需要一个紧急计划。组织和领导这个计划落到了28岁的贾柯尼头上，他是美国科学与工程公司（一家在剑桥、麻省的私营公司）的实验物理学家，刚开始设计弗里德曼那样的X射线飞行探测器。美国空军为贾柯尼提供了他需要的经费，但时间很紧。在不到1年的时间里，他的6人X射线天文学小组壮大到了70人，他们设计、制造并试验了多种核武器爆炸探测仪，进行了24次火箭和6次卫星飞行，成功率达95%。这些经历将他的小组铸成了一支忠诚的、有奉献精神和熟练技能的队伍，他们武装好了自己，能同建立X射线天文学的所有竞争者战斗。
贾柯尼老练的小组在天文学迈出的第一步，是用弗里德曼式的探测仪，像弗里德曼那样让它搭上探测火箭，寻找来自月球的X射线。1962年6月18日午夜前1分钟，火箭从新墨西哥州的白沙基地升空，然后落回地球。火箭在地球大气层外飞行了350秒，高度足以探测月球的X射线。发回地球的数据令人疑惑：X射线比预想的强得多。仔细检査这些数据，就更令人惊讶了。X射线似乎并不来自月球，而是来自天蝎座（图8.6（b））。贾柯尼和他的伙伴（古尔斯基（Herbert Gursky）、鲍里尼（Frank Pa-olini）和罗西（Bruno Rossi））用了两个月的时间来寻找数据和仪器中的错误，但什么也没找到。然后，他们宣布了自己的发现：人类所探测的第一颗X射线星比理论天体物理学家所预言的亮5 000倍。810个月以后，弗里德曼的小组证实了这一发现。这颗星被命名为ScoX-1（天蝎座X-1，1代表“最亮”，X指“X射线源”，Sco即“天蝎座（Scorpius）”的缩写）。
左：H·弗里德曼和火箭上的探测仪，1968年。右：R·贾柯尼和自由号X射线探测仪，约1970年。[左，美国海军实验室提供；右，贾柯尼提供。]
理论家哪儿错了呢？他们怎么会把宇宙的X射线强度低估了5 000倍呢？原来，他们错误地假定，X射线天空的主要天体也就是我们已经熟悉了的光学天空中的天体——如月球、行星和正常恒星，而它们实际上却是很弱的X射线源。不过，天蝎X-1和即将发现的其他X射线星并不是以前人们见过的那些天体，它们是中子星和黑洞，从正常伴星那儿捕获气体，然后将它们加热到很高的温度；至于加热方式，泽尔多维奇和诺维科夫很快会提出来（上面的图8.5）。然而，为了确认这的确就是所观测到的X射线星的本质，弗里德曼和贾柯尼那样的实验家与泽尔多维奇和诺维科夫那样的理论家还得并肩奋斗10年。
图8.6 从1962年到1978年，X射线天文学仪器的技术和结果的进步。（a）贾柯尼小组1962年用以发现第一颗X射线星的盖革计数器略图。（b）盖革计数器的数据，说明那颗星不在月球的位置。注意角分辨率太低（误差区间太大），达90°。（c）1970年自由号X射线探测仪：盒内装有经过巨大改进的盖革计数器，计数器前有扇百叶窗，只有近垂直到达窗口的X射线才可能测到。（d）自由号测得的来自候选黑洞天鹅X-1的X射线。（e）和（f）是1978年爱因斯坦X射线望远镜的X射线聚焦镜头的示意图和照片。（g）、（h）是爱因斯坦望远镜拍摄的两个候选黑洞的照片：天鹅X-1和SS-433。[贾柯尼私人照片和图片。]
贾柯尼1962年用的探测器极简单（图8.6（a）），就是一个顶上有扇薄窗户的充电气室。X射线穿过窗户进入气室后，会从气体的原子中击出一些电子；这些电子被电场吸到一条线上，在那儿产生电流，这就意味着X射线来了。（这种气室有时被称为盖革计数器，有时又被称为正比计数器。）载着气室的火箭每秒钟自转两圈，箭头慢慢从上转到下，气室窗也跟着扫过大片天空，从一方指向另一方。当它指向天蝎座时，会记录到很多X射线；指向别处时，记录会很少。不过，X射线可以从很多方向进入窗口，所以气室估计的天蝎X-1在天空的位置很不确定，它只能报告一个猜测的最佳位置。从它那90°的误差区间可以想象，这个最佳的位置错到哪儿去了（图8.6（b））。
为了确定天蝎X-1和其他很快发现的X射线星实际上就是双星系中的中子星和黑洞，误差区间（在天空中位置的不确定性）必须在几弧分以内，这个要求很高，将角精度提高了1 000倍。
人们盼望的更大的进步，在接下来的16年里，在几个小组（弗里德曼的、贾柯尼的和其他的）竞争中，一步步实现了。当一系列不断改进的探测器一个跟着一个装上火箭在天空飞过之后，1970年12月，第一颗X射线探测卫星自由号也上天了（图8.6（c））。贾柯尼小组制造的这颗自由号，装着一个充满气体的X射线计数器，比他们1962年装在火箭上的那个大100倍。气室的窗户有百叶帘式的板条，可以阻挡一些X射线，从而气室只能探测到从垂直方向和附近几度来的X射线（图8.6（d））。自由号发现并编目了339颗X射线星，后来，美国、英国和荷兰科学家又制造了几颗类似的但更特殊的X射线卫星。到1978年，贾柯尼小组继自由号后又放飞了一颗大卫星，爱因斯坦号，这才是世界上第一个真正的X射线望远镜。因为X射线会穿透它直射在上面的物体，包括镜片，所以爱因斯坦望远镜用了一组安置好的镜片，X射线将像雪橇在冰雪坡面上滑行那样溜过这些镜片（图8.6（e），（f）），它们将X射线聚焦成天空中1弧秒大小的像——像的精度与世界上最好的光学望远镜一样（图8.6（g），（h））。
从贾柯尼火箭到爱因斯坦望远镜经过的短短16年（1962～1978）时间里，角测量精度提高了300 000倍，在这个过程中，我们对宇宙的认识也发生了革命性的变化：X射线透露了中子星和可能的黑洞；通过X射线，我们发现了对流的热气体，星系就沐浴在巨大星系团的这种气体中；我们还看到了超新星残骸中的热气体，某些恒星冕（恒星外部的大气）里的热气体以及星系和类星体核中的超高能粒子。
在X射线探测器和X射线望远镜发现的几个黑洞候选者中，天鹅X-1（简写为Cyg X-1）是最可信的一个。1974年，它刚成为最可能的候选者后不久，霍金和我打了个赌，他赌它不是黑洞，我赌它是。
打赌10年后，我和卡洛丽（Carolee Winstein）结婚了，她为赌注感到很难堪（如果我赢了，我将得到《阁楼》（Pent-house）杂志；如果史蒂芬赢了，将得到《私家侦探》（Private Eye）杂志），我的姐妹和母亲也觉得讨厌。1但她们用不着担心我会真赢得1年的《阁楼》（在80年代我是这么想的）；关于天鹅X-1的本质，我们认识的进步还很慢。到了1990年，在我看来，也只有95%的把握相信它是一个黑洞，这还不足以令史蒂芬认输，显然，他对证据有不同认识。后来，1990年6月的一个晚上，我正在莫斯科与前苏联同行工作时，史蒂芬带着家属、护士和朋友闯进我在加州理工学院的办公室，把赌约找出来，在上面签字画押，认输了，还印上一只大拇指印。2
右：史蒂芬·霍金和我为天鹅X-1是否是黑洞而立的赌约。左：1990年6月，霍金在南加利福尼亚大学演讲，两小时后他就闯到我的办公室在赌约上签字认输了。[霍金照片由南加利福尼亚大学Irene Fertik提供。]
天鹅X-1包含着黑洞的证据，也就是泽尔多维奇和诺维科夫提出黑洞找寻方法时想象的那种：天鹅X-1是由一颗光学明亮而X射线暗淡的恒星围绕一颗X射线明亮而光学暗淡的伴星组成的双星系统，那颗伴星的质量已经肯定比中子星大得多，从而可能是一个黑洞。
天鹅X-1本性的证据却不是那么容易发现的，全世界数以百计的实验物理学家、理论天体物理学家和实测天文学家从60年代到70年代团结协作，为它付出了大量的努力。
实验物理学家，如弗里德曼、鲍耶尔（Stuart Bowyer）、拜拉姆（Edward Byram）和查伯（Talbot Chubb），在1964年通过火箭飞行发现了天鹅X-1；塔南鲍姆（Harvey Tananbaum）、克罗格（Edwin Kellog）、古尔斯基、马雷（Stephan Marray）、施莱尔（Ethan Schrier）和贾柯尼，1971年用自由号将天鹅X-1的位置确定到2弧分的误差区间内（图8.7）；另外还有许多人，发现和研究了X射线和它的能量的剧烈而混乱的波动[涨落]——这些涨落，是人们希望黑洞周围的湍流热气体应该有的。
图8.7 Jerome Kristian 1971年用帕洛玛山的5米光学望远镜拍摄的一张照片负片。黑色矩形框是自由号在1971年确定的天鹅X-1位置的误差区间。白色×是射电望远镜观测到的无线电波爆发，与天鹅X-1的X射线的突然变化是一致的。×的位置正好是光学恒星HDE 226868，所以认定它是天鹅X-1的一颗伴星。1978年，爱因斯坦X射线望远镜证实了这一点，见图8.6g。右图是艺术家根据所有光学和X射线数据描绘的天鹅X-1和HDE 226868。[左：卡内基天文台Jerome Kristian博士摄；右：Victor J.Kelley绘，国家地理学会提供。]
投身进来的全世界的实测天文学家，如热尔曼（Robert Hjellming）、瓦德（Cam Wade）、布雷斯（Luc Braes）和米莱（George Miley），1971年在自由号天鹅X-1的误差区间内发现了一次无线电波爆发，同时还伴随着自由号测得的天鹅X-1的X射线的巨大变化，于是，天鹅X-1的位置被确定到1弧秒内（图8.6（d）和8.7）；韦伯斯特（Louise Webster）、默丁（Paul Murdin）和波尔顿（Charles Bolton）用光学望远镜发现，在无线电波爆发处的一颗光学恒星，HDE 226868，绕着一颗大质量的光线暗淡而X射线明亮的伴星（天鹅X-1）；另外，大约上百的光学天文学家对HDE 226868和它附近的恒星进行了艰难的测量，为了避免天鹅X-1的质量估计出现严重错误，这些测量是很重要的。
投身进来的理论天体物理学家包括泽尔多维奇和诺维科夫，他们提出了黑洞的找寻方法；帕津斯基（Bohdan Paczynski）、阿伏尼（Yoram Avni）和巴考尔（John Bahcall），他们发现了一种复杂但可靠的方法来避免质量估计的错误；布尔比基（Geoffrey Burbidge）和普伦德加斯特（Kevin Prendergast），他们认识到X射线发出的热气体会在黑洞周围形成盘；沙库拉（Nikolai Shakura）、桑尼耶夫（Rashid Sunyaev）、普林格尔（James Pringle）、里斯、奥斯特里克（Jerry Ostriker）以及其他许多人，为了与X射线观测对比，发展了X射线发出的气体和它形成的盘的理论模型。
通过这些巨大的努力，到1974年，我们对天鹅X-1和它的伴星HDE 226868的图景有了80%的信心，图8.7的右边是艺术家为它们画的像，其实那正是泽尔多维奇和诺维科夫想象的，不过要具体得多：天鹅X-1中心的黑洞质量肯定大于3个太阳质量，也许大于7个太阳，最可能是16个太阳。它的光线明亮而X射线暗淡的伴星HDE 226868大约有20个太阳以上的质量，很可能是33个太阳，而它的半径比太阳约大20倍，它的表面到黑洞的距离约为20个太阳半径（1 400万公里），双星距地球约6 000光年。天鹅X-1是X射线天空中的第二亮星；HDE 226868尽管比大多数望远镜看到的恒星更亮，但对肉眼来说，还是太暗了。
自1974年以来的近20年中，我们对天鹅X-1图景的信心从大约80%提高到了95%（这是我个人的估计）。我们还不能100%地相信它，因为尽管费了那么大的努力，但还没有在天鹅X-1中发现黑洞的确凿信号。没有任何X射线的或光的信号向天文学家坦白，“我来自黑洞。”所有这些观测，都还可能找到别的非黑洞的解释，尽管那些解释都太拐弯抹角，没几个天文学家当真。
反过来，一些中子星（被称为脉冲星）倒发出了确凿的“我是中子星”的呼喊：它们的X射线，有时也可能是无线电波，产生了非常准时的尖锐脉冲。脉冲时间有时跟我们最精确的原子钟一样精确。这些脉冲只能解释为从中子星表面射出的辐射流，随星体旋转而扫过地球——像机场或灯塔的闪光灯光。为什么这是惟一可能的解释呢？如此精确的定时只能来自大质量天体的旋转，它有大的惯性，从而对产生不规则时间的不规则力量有大的抵抗能力。在天体物理学家头脑中想象的所有大质量天体中，只有中子星和黑洞能以某些脉冲星那样大的速率（每秒几百圈）旋转；而又只有中子星能产生旋转的辐射束，因为黑洞是没有“毛”的。（任何这样的固定在黑洞视界的辐射束也是一类“毛”的例子，但黑洞却留不住它们。3）
为了找到像脉冲星的脉冲那样的黑洞的确凿信号，天文学家在天鹅X-1中寻找了20年，但什么也没找到。这类信号的一个例子是（泽尔多维奇小组的桑尼耶夫在1972年提出的），9在围绕黑洞旋转的凝聚气团中出现的旋转束所产生的脉冲星式的辐射脉冲。如果气团离黑洞近，它能维持在许多轨道上，直到最终落入黑洞视界，这时候，它的脉冲之间逐渐变化的时间间隔就可能清楚而确凿地表示“我是一个黑洞”。不幸的是，这种信号从来没人见过，原因似乎有几个：（1）X射线发出的热气体绕黑洞的运动混乱无常，凝聚的气团只能在一个或几个轨道上维持。（2）假如几个气团真能长时间聚集在一起并产生黑洞信号，其余的混沌气体产生的混乱X射线显然也会将那些信号淹没。（3）假如天鹅X-1真是一个黑洞，那么根据数学模拟，大多数X射线应该来自远离视界的地方——也就是周长大于10倍临界值或更远的地方，那儿比视界附近有更大的发射X射线的空间。在距黑洞这么远的地方，广义相对论和牛顿引力理论的预言是近似相同的，所以，即使有来自轨道气团的脉冲，也不会带来强大的确定的黑洞信号。
由于同样的一些原因，天文学家也许永远不可能从黑洞附近产生的电磁波中发现任何类型的确定的黑洞信号。幸运的是，我们有很大的希望看到一类完全不同的黑洞信号：引力辐射所携带的信号。等到第10章我们再来谈。
黑洞理论研究的黄金年代（第7章）也伴随着寻找黑洞的观测研究，也在那个年代，发现了天鹅X-1，阐明了它的本质。于是，可能有人以为曾拥有黄金年代的那些年轻人（彭罗斯、霍金、诺维科夫、卡特尔、伊斯雷尔、普雷斯、特奥科尔斯基、普赖斯，等等）在寻找黑洞中也会担起里要角色，实际并非如此，只有诺维科夫例外。他们显露的才能，他们发展的知识以及他们发现的黑洞的自旋、脉动和无毛特征，与寻找和解释天鹅X-1没有一点儿关系。如果天鹅X-1有确凿的黑洞信号，情形可能会不同，但事实上没有。
这些年轻人和其他跟他们一样的理论物理学家有时被人称为相对论学家，因为他们很多时间都在跟广义相对论的定律打交道。但真正投身寻找黑洞的理论家们（泽尔多维奇、帕津斯基、桑尼耶夫、里斯，等等）是全然不同的一群，他们被称为天体物理学家。对寻找来说，这些天体物理学家只需要懂很少一点广义相对论——只要能让他们相信弯曲时空与此毫不相干，而牛顿的引力图景对模拟像天鹅X-1那样的天体已经足够了。但是，他们需要大量别的知识，那些一个天体物理学家所必须具备的东西。他们需要掌握广博的天文学专业知识，例如，关于双星系的，关于候选黑洞的伴星的结构、演化和光谱的，以及关于星际尘埃对星光的红移影响的——这是确定天鹅X-1距离的关键。他们需要懂的东西还多着呢：热气流，热气流碰撞形成的激波，湍流和无规则磁场引起的气体摩擦，磁力线的断裂和重新联结，热气体中X射线的形成，X射线在气体中的传播等许许多多东西。由于人类的极限，很少有人能掌握这么多东西并同时掌握复杂的弯曲时空的数学，所以研究者群体必然会有分工。你可能专攻黑洞的理论物理学，从广义相对论推演黑洞应有的性质；你也可能熟悉双星系和落在黑洞上的热气体以及这些气体产生的辐射；就是说，你要么是一个相对论学家，要么是一个天体物理学家。
也有人既想做相对论学家，也想做天体物理学家，但并不太成功。泽尔多维奇是卓有成就的天体物理学家，有时也能提出一些关于黑洞基础的新见解。我多少算一个有才能的相对论学家，曾尝试建立天鹅X-1的黑洞附近流动气体的广义相对论模型。但是，泽尔多维奇对广义相对论认识不深，而我也不太熟悉天文学的专业知识。横在两家间的障碍是巨大的。在我所认识的黄金年代的研究者中，只有诺维科夫和钱德拉塞卡，一脚坚实地扎根在天体物理学，另一脚扎根在相对论。
像贾柯尼那样的实验物理学家，设计并放飞过X射线探测器和卫星，也面临着相同的障碍。但有一点不同。在黑洞的找寻中，相对论学家是不需要的，而实验物理学家却是基本的。如果没有实验物理学家提供数据，那些把握了认识双星、气流和X射线传播工具的实测天文学家和天体物理学家们什么也做不成。实验物理学家常常在将数据交给天文学家和天体物理学家之前，自己试着去发现，关于气流和可能产生这些气流的黑洞，这些数据会告诉我们些什么。但没能获得多大成功。天文学家和天体物理学家感谢他们提供了这些数据，然后以自己更复杂也更可靠的方式来解释它们。
天文学家和天体物理学家对实验物理学家的依赖，只是一个例子，为了成功寻找黑洞，还有许多重要的相互依赖关系。实际上，成功是6个不同群体相互依靠、协同努力的结果。每一个群体都扮演着重要的角色。相对论学家根据广义相对论的定律肯定了黑洞的存在。天体物理学家提出了寻找黑洞的方法并在几个关键步骤上给予了指导。实测天文学家确认了天鹅X-1的伴星，HDE 226868；用从它发出的周期性移动谱线来估计天鹅X-1的质量；并以大量其他观测来巩固他们的质量估计。实验物理学家创造的仪器和技术使X射线星的寻找成为可能，并在天鹅X-1的寻找中实现了。美国宇航局（NASA）的工程师和管理者们制造了把X射线探测器送入地球轨道的火箭和卫星。而且，同样重要的还有，美国的纳税人为火箭、飞船、X射线探测器和X射线望远镜，以及工程师、管理者和同他们一起工作的科学家们，提供了几亿美元的资助。
凭着这些令人难忘的团结协作，现在，90年代，我们几乎百分之百地相信，不仅在天鹅X-1，而且在我们星系的其他许多双星系中，都存在着黑洞。
[1] 《阁楼》杂志是与《花花公子》一样出名的美国男性杂志（它们都不是某些人所想象的那种“色情杂志”；在美国还有不少人说它们是教育性杂志呢），所以令作者一家的女性都不乐意。（上回作者与钱德拉塞卡赌赢了，也没敢要《花花公子》，读者大概还记得。）——译者
[2] 照片上的赌约写的是：“鉴于S·霍金对广义相对论和黑洞素有研究且需要一份保险，而K·索恩好冒险，不需要买保险，故以打赌定胜负。霍金以1年《阁楼》对索恩4年《私家侦探》，赌天鹅X-1不含质量大于钱德拉塞卡极限的黑洞。”下面是两人和证人签名，时间是1974年12月10日。霍金后来写的是：“认输，1990年6月”。——译者
[3] 见第7章。带电黑洞的电场平均地分布在旋转轴的周围，所以不可能产生集中的辐射束。