假如你是天文學家，X射線令你煩惱的地方在於，它們不能穿透地球大氣。（對人來說，這是好事，因為X射線會誘發癌症和變異。）
幸運的是，富於幻想的實驗物理學家們在美國海軍研究實驗室（NRL）的弗裡德曼（Herbert Friedman）領導下，從40年代就開始在為空間X射線天文學打基礎了。二戰後不久，弗裡德曼就和他的夥伴們用繳獲的德國V-2火箭發送儀器研究太陽。弗裡德曼描述過1946年6月28日的第一次飛行。他們在火箭頭上裝一台攝譜儀，探測太陽的遠紫外輻射。（跟X射線一樣，遠紫外輻射也不能穿透地球大氣。）經過短時間大氣上空飛行，收集數據後，「火箭返回地球，頭朝下，流線式地飛落下來，埋進一個直徑約80英尺[24米]、深30英尺[9米]的大坑，挖了幾個星期才挖出一堆難以識別的碎片，火箭彷彿在墜落時『蒸發』了。」7
從這個不幸的結局開始，弗裡德曼等人憑他們的創造力、堅韌精神和努力工作，終於將紫外線和X射線天文學一步步建立起來了。1949年，弗裡德曼和他的同事們用V-2火箭載蓋革計數器上天探測來自太陽的X射線。50年代後期，他們的計數器搭上了美國造的高空探測火箭，不僅探測太陽輻射，也探測恆星輻射。不過，X射線是另一回事。太陽的X射線每秒鐘落到計數器的數量是每平方厘米100萬，所以探測太陽的X射線相對要容易一些。但是，據理論估計，最亮的X射線星也比太陽暗10億倍，探測這麼暗淡的一顆星，需要的探測儀應比弗裡德曼1958年用的靈敏1 000萬倍，這個要求很高，但不是不可能。
到1962年，探測器提高了10 000倍，就等後來的1 000倍了。這時，在弗裡德曼的進展激發下，其他研究小組也來競爭了。其中，賈柯尼（Riccardo Giacconi）領導的一組將成為最有力的對手。
賈柯尼的成功，澤爾多維奇也可以說有特別的一份功勞。1961年，蘇聯令人意外地廢除了蘇美兩國3年不搞核武器試驗的協議，進行了一次人類最大威力的原子彈試驗——就是澤爾多維奇和薩哈洛夫的小組在基地設計的那種原子彈（第6章）。美國恐慌了，也準備搞自己的新試驗。這將是地球軌道飛船時代美國的第一次試驗，也是第一次有可能在空間探測核爆炸放出的X射線、y射線和高能粒子，這些觀測對監測蘇聯未來的核試驗是很重要的。不過，為了觀測即將進行的一系列試驗，美國還需要一個緊急計劃。組織和領導這個計劃落到了28歲的賈柯尼頭上，他是美國科學與工程公司（一家在劍橋、麻省的私營公司）的實驗物理學家，剛開始設計弗裡德曼那樣的X射線飛行探測器。美國空軍為賈柯尼提供了他需要的經費，但時間很緊。在不到1年的時間裡，他的6人X射線天文學小組壯大到了70人，他們設計、製造並試驗了多種核武器爆炸探測儀，進行了24次火箭和6次衛星飛行，成功率達95%。這些經歷將他的小組鑄成了一支忠誠的、有奉獻精神和熟練技能的隊伍，他們武裝好了自己，能同建立X射線天文學的所有競爭者戰鬥。
賈柯尼老練的小組在天文學邁出的第一步，是用弗裡德曼式的探測儀，像弗裡德曼那樣讓它搭上探測火箭，尋找來自月球的X射線。1962年6月18日午夜前1分鐘，火箭從新墨西哥州的白沙基地升空，然後落回地球。火箭在地球大氣層外飛行了350秒，高度足以探測月球的X射線。發回地球的數據令人疑惑：X射線比預想的強得多。仔細檢查這些數據，就更令人驚訝了。X射線似乎並不來自月球，而是來自天蠍座（圖8.6（b））。賈柯尼和他的夥伴（古爾斯基（Herbert Gursky）、鮑裡尼（Frank Pa-olini）和羅西（Bruno Rossi））用了兩個月的時間來尋找數據和儀器中的錯誤，但什麼也沒找到。然後，他們宣佈了自己的發現：人類所探測的第一顆X射線星比理論天體物理學家所預言的亮5 000倍。810個月以後，弗裡德曼的小組證實了這一發現。這顆星被命名為ScoX-1（天蠍座X-1，1代表「最亮」，X指「X射線源」，Sco即「天蠍座（Scorpius）」的縮寫）。
左：H·弗裡德曼和火箭上的探測儀，1968年。右：R·賈柯尼和自由號X射線探測儀，約1970年。[左，美國海軍實驗室提供；右，賈柯尼提供。]
理論家哪兒錯了呢？他們怎麼會把宇宙的X射線強度低估了5 000倍呢？原來，他們錯誤地假定，X射線天空的主要天體也就是我們已經熟悉了的光學天空中的天體——如月球、行星和正常恆星，而它們實際上卻是很弱的X射線源。不過，天蠍X-1和即將發現的其他X射線星並不是以前人們見過的那些天體，它們是中子星和黑洞，從正常伴星那兒捕獲氣體，然後將它們加熱到很高的溫度；至於加熱方式，澤爾多維奇和諾維科夫很快會提出來（上面的圖8.5）。然而，為了確認這的確就是所觀測到的X射線星的本質，弗裡德曼和賈柯尼那樣的實驗家與澤爾多維奇和諾維科夫那樣的理論家還得並肩奮鬥10年。
圖8.6 從1962年到1978年，X射線天文學儀器的技術和結果的進步。（a）賈柯尼小組1962年用以發現第一顆X射線星的蓋革計數器略圖。（b）蓋革計數器的數據，說明那顆星不在月球的位置。注意角分辨率太低（誤差區間太大），達90°。（c）1970年自由號X射線探測儀：盒內裝有經過巨大改進的蓋革計數器，計數器前有扇百葉窗，只有近垂直到達窗口的X射線才可能測到。（d）自由號測得的來自候選黑洞天鵝X-1的X射線。（e）和（f）是1978年愛因斯坦X射線望遠鏡的X射線聚焦鏡頭的示意圖和照片。（g）、（h）是愛因斯坦望遠鏡拍攝的兩個候選黑洞的照片：天鵝X-1和SS-433。[賈柯尼私人照片和圖片。]
賈柯尼1962年用的探測器極簡單（圖8.6（a）），就是一個頂上有扇薄窗戶的充電氣室。X射線穿過窗戶進入氣室後，會從氣體的原子中擊出一些電子；這些電子被電場吸到一條線上，在那兒產生電流，這就意味著X射線來了。（這種氣室有時被稱為蓋革計數器，有時又被稱為正比計數器。）載著氣室的火箭每秒鐘自轉兩圈，箭頭慢慢從上轉到下，氣室窗也跟著掃過大片天空，從一方指向另一方。當它指向天蠍座時，會記錄到很多X射線；指向別處時，記錄會很少。不過，X射線可以從很多方向進入窗口，所以氣室估計的天蠍X-1在天空的位置很不確定，它只能報告一個猜測的最佳位置。從它那90°的誤差區間可以想像，這個最佳的位置錯到哪兒去了（圖8.6（b））。
為了確定天蠍X-1和其他很快發現的X射線星實際上就是雙星系中的中子星和黑洞，誤差區間（在天空中位置的不確定性）必須在幾弧分以內，這個要求很高，將角精度提高了1 000倍。
人們盼望的更大的進步，在接下來的16年裡，在幾個小組（弗裡德曼的、賈柯尼的和其他的）競爭中，一步步實現了。當一系列不斷改進的探測器一個跟著一個裝上火箭在天空飛過之後，1970年12月，第一顆X射線探測衛星自由號也上天了（圖8.6（c））。賈柯尼小組製造的這顆自由號，裝著一個充滿氣體的X射線計數器，比他們1962年裝在火箭上的那個大100倍。氣室的窗戶有百葉簾式的板條，可以阻擋一些X射線，從而氣室只能探測到從垂直方向和附近幾度來的X射線（圖8.6（d））。自由號發現並編目了339顆X射線星，後來，美國、英國和荷蘭科學家又製造了幾顆類似的但更特殊的X射線衛星。到1978年，賈柯尼小組繼自由號後又放飛了一顆大衛星，愛因斯坦號，這才是世界上第一個真正的X射線望遠鏡。因為X射線會穿透它直射在上面的物體，包括鏡片，所以愛因斯坦望遠鏡用了一組安置好的鏡片，X射線將像雪橇在冰雪坡面上滑行那樣溜過這些鏡片（圖8.6（e），（f）），它們將X射線聚焦成天空中1弧秒大小的像——像的精度與世界上最好的光學望遠鏡一樣（圖8.6（g），（h））。
從賈柯尼火箭到愛因斯坦望遠鏡經過的短短16年（1962～1978）時間裡，角測量精度提高了300 000倍，在這個過程中，我們對宇宙的認識也發生了革命性的變化：X射線透露了中子星和可能的黑洞；通過X射線，我們發現了對流的熱氣體，星系就沐浴在巨大星系團的這種氣體中；我們還看到了超新星殘骸中的熱氣體，某些恆星冕（恆星外部的大氣）裡的熱氣體以及星系和類星體核中的超高能粒子。
在X射線探測器和X射線望遠鏡發現的幾個黑洞候選者中，天鵝X-1（簡寫為Cyg X-1）是最可信的一個。1974年，它剛成為最可能的候選者後不久，霍金和我打了個賭，他賭它不是黑洞，我賭它是。
打賭10年後，我和卡洛麗（Carolee Winstein）結婚了，她為賭注感到很難堪（如果我贏了，我將得到《閣樓》（Pent-house）雜誌；如果史蒂芬贏了，將得到《私家偵探》（Private Eye）雜誌），我的姐妹和母親也覺得討厭。1但她們用不著擔心我會真贏得1年的《閣樓》（在80年代我是這麼想的）；關於天鵝X-1的本質，我們認識的進步還很慢。到了1990年，在我看來，也只有95%的把握相信它是一個黑洞，這還不足以令史蒂芬認輸，顯然，他對證據有不同認識。後來，1990年6月的一個晚上，我正在莫斯科與前蘇聯同行工作時，史蒂芬帶著家屬、護士和朋友闖進我在加州理工學院的辦公室，把賭約找出來，在上面簽字畫押，認輸了，還印上一隻大拇指印。2
右：史蒂芬·霍金和我為天鵝X-1是否是黑洞而立的賭約。左：1990年6月，霍金在南加利福尼亞大學演講，兩小時後他就闖到我的辦公室在賭約上簽字認輸了。[霍金照片由南加利福尼亞大學Irene Fertik提供。]
天鵝X-1包含著黑洞的證據，也就是澤爾多維奇和諾維科夫提出黑洞找尋方法時想像的那種：天鵝X-1是由一顆光學明亮而X射線暗淡的恆星圍繞一顆X射線明亮而光學暗淡的伴星組成的雙星系統，那顆伴星的質量已經肯定比中子星大得多，從而可能是一個黑洞。
天鵝X-1本性的證據卻不是那麼容易發現的，全世界數以百計的實驗物理學家、理論天體物理學家和實測天文學家從60年代到70年代團結協作，為它付出了大量的努力。
實驗物理學家，如弗裡德曼、鮑耶爾（Stuart Bowyer）、拜拉姆（Edward Byram）和查伯（Talbot Chubb），在1964年通過火箭飛行發現了天鵝X-1；塔南鮑姆（Harvey Tananbaum）、克羅格（Edwin Kellog）、古爾斯基、馬雷（Stephan Marray）、施萊爾（Ethan Schrier）和賈柯尼，1971年用自由號將天鵝X-1的位置確定到2弧分的誤差區間內（圖8.7）；另外還有許多人，發現和研究了X射線和它的能量的劇烈而混亂的波動[漲落]——這些漲落，是人們希望黑洞周圍的湍流熱氣體應該有的。
圖8.7 Jerome Kristian 1971年用帕洛瑪山的5米光學望遠鏡拍攝的一張照片負片。黑色矩形框是自由號在1971年確定的天鵝X-1位置的誤差區間。白色×是射電望遠鏡觀測到的無線電波爆發，與天鵝X-1的X射線的突然變化是一致的。×的位置正好是光學恆星HDE 226868，所以認定它是天鵝X-1的一顆伴星。1978年，愛因斯坦X射線望遠鏡證實了這一點，見圖8.6g。右圖是藝術家根據所有光學和X射線數據描繪的天鵝X-1和HDE 226868。[左：卡內基天文台Jerome Kristian博士攝；右：Victor J.Kelley繪，國家地理學會提供。]
投身進來的全世界的實測天文學家，如熱爾曼（Robert Hjellming）、瓦德（Cam Wade）、佈雷斯（Luc Braes）和米萊（George Miley），1971年在自由號天鵝X-1的誤差區間內發現了一次無線電波爆發，同時還伴隨著自由號測得的天鵝X-1的X射線的巨大變化，於是，天鵝X-1的位置被確定到1弧秒內（圖8.6（d）和8.7）；韋伯斯特（Louise Webster）、默丁（Paul Murdin）和波爾頓（Charles Bolton）用光學望遠鏡發現，在無線電波爆發處的一顆光學恆星，HDE 226868，繞著一顆大質量的光線暗淡而X射線明亮的伴星（天鵝X-1）；另外，大約上百的光學天文學家對HDE 226868和它附近的恆星進行了艱難的測量，為了避免天鵝X-1的質量估計出現嚴重錯誤，這些測量是很重要的。
投身進來的理論天體物理學家包括澤爾多維奇和諾維科夫，他們提出了黑洞的找尋方法；帕津斯基（Bohdan Paczynski）、阿伏尼（Yoram Avni）和巴考爾（John Bahcall），他們發現了一種複雜但可靠的方法來避免質量估計的錯誤；布爾比基（Geoffrey Burbidge）和普倫德加斯特（Kevin Prendergast），他們認識到X射線發出的熱氣體會在黑洞周圍形成盤；沙庫拉（Nikolai Shakura）、桑尼耶夫（Rashid Sunyaev）、普林格爾（James Pringle）、裡斯、奧斯特裡克（Jerry Ostriker）以及其他許多人，為了與X射線觀測對比，發展了X射線發出的氣體和它形成的盤的理論模型。
通過這些巨大的努力，到1974年，我們對天鵝X-1和它的伴星HDE 226868的圖景有了80%的信心，圖8.7的右邊是藝術家為它們畫的像，其實那正是澤爾多維奇和諾維科夫想像的，不過要具體得多：天鵝X-1中心的黑洞質量肯定大於3個太陽質量，也許大於7個太陽，最可能是16個太陽。它的光線明亮而X射線暗淡的伴星HDE 226868大約有20個太陽以上的質量，很可能是33個太陽，而它的半徑比太陽約大20倍，它的表面到黑洞的距離約為20個太陽半徑（1 400萬公里），雙星距地球約6 000光年。天鵝X-1是X射線天空中的第二亮星；HDE 226868儘管比大多數望遠鏡看到的恆星更亮，但對肉眼來說，還是太暗了。
自1974年以來的近20年中，我們對天鵝X-1圖景的信心從大約80%提高到了95%（這是我個人的估計）。我們還不能100%地相信它，因為儘管費了那麼大的努力，但還沒有在天鵝X-1中發現黑洞的確鑿信號。沒有任何X射線的或光的信號向天文學家坦白，「我來自黑洞。」所有這些觀測，都還可能找到別的非黑洞的解釋，儘管那些解釋都太拐彎抹角，沒幾個天文學家當真。
反過來，一些中子星（被稱為脈衝星）倒發出了確鑿的「我是中子星」的呼喊：它們的X射線，有時也可能是無線電波，產生了非常準時的尖銳脈衝。脈衝時間有時跟我們最精確的原子鐘一樣精確。這些脈衝只能解釋為從中子星表面射出的輻射流，隨星體旋轉而掃過地球——像機場或燈塔的閃光燈光。為什麼這是惟一可能的解釋呢？如此精確的定時只能來自大質量天體的旋轉，它有大的慣性，從而對產生不規則時間的不規則力量有大的抵抗能力。在天體物理學家頭腦中想像的所有大質量天體中，只有中子星和黑洞能以某些脈衝星那樣大的速率（每秒幾百圈）旋轉；而又只有中子星能產生旋轉的輻射束，因為黑洞是沒有「毛」的。（任何這樣的固定在黑洞視界的輻射束也是一類「毛」的例子，但黑洞卻留不住它們。3）
為了找到像脈衝星的脈衝那樣的黑洞的確鑿信號，天文學家在天鵝X-1中尋找了20年，但什麼也沒找到。這類信號的一個例子是（澤爾多維奇小組的桑尼耶夫在1972年提出的），9在圍繞黑洞旋轉的凝聚氣團中出現的旋轉束所產生的脈衝星式的輻射脈衝。如果氣團離黑洞近，它能維持在許多軌道上，直到最終落入黑洞視界，這時候，它的脈衝之間逐漸變化的時間間隔就可能清楚而確鑿地表示「我是一個黑洞」。不幸的是，這種信號從來沒人見過，原因似乎有幾個：（1）X射線發出的熱氣體繞黑洞的運動混亂無常，凝聚的氣團只能在一個或幾個軌道上維持。（2）假如幾個氣團真能長時間聚集在一起並產生黑洞信號，其餘的混沌氣體產生的混亂X射線顯然也會將那些信號淹沒。（3）假如天鵝X-1真是一個黑洞，那麼根據數學模擬，大多數X射線應該來自遠離視界的地方——也就是周長大於10倍臨界值或更遠的地方，那兒比視界附近有更大的發射X射線的空間。在距黑洞這麼遠的地方，廣義相對論和牛頓引力理論的預言是近似相同的，所以，即使有來自軌道氣團的脈衝，也不會帶來強大的確定的黑洞信號。
由於同樣的一些原因，天文學家也許永遠不可能從黑洞附近產生的電磁波中發現任何類型的確定的黑洞信號。幸運的是，我們有很大的希望看到一類完全不同的黑洞信號：引力輻射所攜帶的信號。等到第10章我們再來談。
黑洞理論研究的黃金年代（第7章）也伴隨著尋找黑洞的觀測研究，也在那個年代，發現了天鵝X-1，闡明了它的本質。於是，可能有人以為曾擁有黃金年代的那些年輕人（彭羅斯、霍金、諾維科夫、卡特爾、伊斯雷爾、普雷斯、特奧科爾斯基、普賴斯，等等）在尋找黑洞中也會擔起裡要角色，實際並非如此，只有諾維科夫例外。他們顯露的才能，他們發展的知識以及他們發現的黑洞的自旋、脈動和無毛特徵，與尋找和解釋天鵝X-1沒有一點兒關係。如果天鵝X-1有確鑿的黑洞信號，情形可能會不同，但事實上沒有。
這些年輕人和其他跟他們一樣的理論物理學家有時被人稱為相對論學家，因為他們很多時間都在跟廣義相對論的定律打交道。但真正投身尋找黑洞的理論家們（澤爾多維奇、帕津斯基、桑尼耶夫、裡斯，等等）是全然不同的一群，他們被稱為天體物理學家。對尋找來說，這些天體物理學家只需要懂很少一點廣義相對論——只要能讓他們相信彎曲時空與此毫不相干，而牛頓的引力圖景對模擬像天鵝X-1那樣的天體已經足夠了。但是，他們需要大量別的知識，那些一個天體物理學家所必須具備的東西。他們需要掌握廣博的天文學專業知識，例如，關於雙星系的，關於候選黑洞的伴星的結構、演化和光譜的，以及關於星際塵埃對星光的紅移影響的——這是確定天鵝X-1距離的關鍵。他們需要懂的東西還多著呢：熱氣流，熱氣流碰撞形成的激波，湍流和無規則磁場引起的氣體摩擦，磁力線的斷裂和重新聯結，熱氣體中X射線的形成，X射線在氣體中的傳播等許許多多東西。由於人類的極限，很少有人能掌握這麼多東西並同時掌握複雜的彎曲時空的數學，所以研究者群體必然會有分工。你可能專攻黑洞的理論物理學，從廣義相對論推演黑洞應有的性質；你也可能熟悉雙星系和落在黑洞上的熱氣體以及這些氣體產生的輻射；就是說，你要麼是一個相對論學家，要麼是一個天體物理學家。
也有人既想做相對論學家，也想做天體物理學家，但並不太成功。澤爾多維奇是卓有成就的天體物理學家，有時也能提出一些關於黑洞基礎的新見解。我多少算一個有才能的相對論學家，曾嘗試建立天鵝X-1的黑洞附近流動氣體的廣義相對論模型。但是，澤爾多維奇對廣義相對論認識不深，而我也不太熟悉天文學的專業知識。橫在兩家間的障礙是巨大的。在我所認識的黃金年代的研究者中，只有諾維科夫和錢德拉塞卡，一腳堅實地扎根在天體物理學，另一腳扎根在相對論。
像賈柯尼那樣的實驗物理學家，設計並放飛過X射線探測器和衛星，也面臨著相同的障礙。但有一點不同。在黑洞的找尋中，相對論學家是不需要的，而實驗物理學家卻是基本的。如果沒有實驗物理學家提供數據，那些把握了認識雙星、氣流和X射線傳播工具的實測天文學家和天體物理學家們什麼也做不成。實驗物理學家常常在將數據交給天文學家和天體物理學家之前，自己試著去發現，關於氣流和可能產生這些氣流的黑洞，這些數據會告訴我們些什麼。但沒能獲得多大成功。天文學家和天體物理學家感謝他們提供了這些數據，然後以自己更複雜也更可靠的方式來解釋它們。
天文學家和天體物理學家對實驗物理學家的依賴，只是一個例子，為了成功尋找黑洞，還有許多重要的相互依賴關係。實際上，成功是6個不同群體相互依靠、協同努力的結果。每一個群體都扮演著重要的角色。相對論學家根據廣義相對論的定律肯定了黑洞的存在。天體物理學家提出了尋找黑洞的方法並在幾個關鍵步驟上給予了指導。實測天文學家確認了天鵝X-1的伴星，HDE 226868；用從它發出的週期性移動譜線來估計天鵝X-1的質量；並以大量其他觀測來鞏固他們的質量估計。實驗物理學家創造的儀器和技術使X射線星的尋找成為可能，並在天鵝X-1的尋找中實現了。美國宇航局（NASA）的工程師和管理者們製造了把X射線探測器送入地球軌道的火箭和衛星。而且，同樣重要的還有，美國的納稅人為火箭、飛船、X射線探測器和X射線望遠鏡，以及工程師、管理者和同他們一起工作的科學家們，提供了幾億美元的資助。
憑著這些令人難忘的團結協作，現在，90年代，我們幾乎百分之百地相信，不僅在天鵝X-1，而且在我們星系的其他許多雙星系中，都存在著黑洞。
[1] 《閣樓》雜誌是與《花花公子》一樣出名的美國男性雜誌（它們都不是某些人所想像的那種「色情雜誌」；在美國還有不少人說它們是教育性雜誌呢），所以令作者一家的女性都不樂意。（上回作者與錢德拉塞卡賭贏了，也沒敢要《花花公子》，讀者大概還記得。）——譯者
[2] 照片上的賭約寫的是：「鑒於S·霍金對廣義相對論和黑洞素有研究且需要一份保險，而K·索恩好冒險，不需要買保險，故以打賭定勝負。霍金以1年《閣樓》對索恩4年《私家偵探》，賭天鵝X-1不含質量大於錢德拉塞卡極限的黑洞。」下面是兩人和證人簽名，時間是1974年12月10日。霍金後來寫的是：「認輸，1990年6月」。——譯者
[3] 見第7章。帶電黑洞的電場平均地分佈在旋轉軸的周圍，所以不可能產生集中的輻射束。