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人类知道黑洞才小小的一步

撰文|刘辛味北京时刻2019年4月10日晚21点,人类史上首张黑洞相片问世2020年诺贝尔物理学奖颁发了黑洞相关的研讨,英国数学家、物理学家彭罗斯,赞誉他对“发现黑洞构成是广义相对论的有力猜测”,以及…

撰文 | 刘辛味

北京时刻2019年4月10日晚21点,人类史上首张黑洞相片问世

2020年诺贝尔物理学奖颁发了黑洞相关的研讨,英国数学家、物理学家彭罗斯,赞誉他对“发现黑洞构成是广义相对论的有力猜测”,以及德国天体物理学家根泽尔和美国天体物理学家盖兹,赞誉他们“发现银河系中心有一个超大质量细密天体”。世界学再获荣誉。近年来,黑洞相关的研讨总呈现大新闻,实在是抢手中的抢手。

上一年,黑洞这个奥秘的天体总算和咱们碰头了。“视界望远镜”团队,宣告捕捉到了M87星系中心特大质量黑洞图画,总算让人们一睹黑洞的“芳容”。科学史上的 “打破”其实十分稀有,有必要脚踏实地地说,首张黑洞相片仅仅咱们知道黑洞的小小一步。

现代天体物理中的黑洞,源自爱因斯坦广义相对论的推论,提醒了物理学中的极限。它是世界中最细密的天体,强壮的引力让光都无法从黑洞视界中逃逸。黑洞也是最能激起人类好奇心和幻想力的东西。比方人挨近黑洞会怎么样?理论告知咱们,他们会被拉伸、紧缩,阅历“面条化”。

可是在“洗出”相片之前,没有哪位地理学家实在见过黑洞,咱们得到了一些直接的依据,“听到”了一些声响,这些声响是数十亿年前黑洞磕碰发生的时空的涟漪——引力波。为什么黑洞这么难被发现,它又怎么被承认存在?来看看科学家都发现了什么。

黑洞的艺术照

咱们平常见到的所谓黑洞的图片,都是经过艺术处理的图片。太空艺术或地理艺术,是科学可视化的展现,在科学教育和科学普及方面起到重要效果。当然,地理艺术也不仅如此,它们也是艺术的一种,有着自己更内在的表达。

下面这两张相片能够明晰的看到世界中存在黑洞,不论实在的黑洞是什么样,它们代表了咱们心中黑洞的容貌。

美丽的黑洞是科学与艺术结合的产品,从图中能够看出时空在黑洞邻近弯曲了 来历:NASA

黑洞怎么构成

承认黑洞的存在经过了科学史上绵长而弯曲的进程,从18世纪提出的“暗星”,到广义相对论引力场方程的准确解,又阅历对恒星演化进程的研讨,到了20世纪90年代,人们才看到了黑洞存在的直接依据。

现在公认的恒星级质量的黑洞是由大质量恒星自身坍缩而构成的。当恒星的核燃料耗尽,也便是恒星抵达生命的止境时,它们会胀大,失掉质量,然后冷却构成白矮星。可是这些火热的天体中较大的,比方9到25倍太阳质量的恒星,它们会跟着一场大爆炸——超新星迸发而坍缩成中子星。假如质量再大一些,25个以上的太阳质量,它们会然后演化成黑洞。当然,这些数字也不是肯定的,一般恒星质量等级的黑洞在10到100个太阳质量的区间。

超新星迸发会将恒星的物质抛向太空,只留下中心。原本恒星能够经过自身的核聚变发生继续向外的推力,以平衡恒星自身质量向内的引力。但迸发后恒星的残骸不会再供应推力,但自身巨大的引力还在,就只能向内坍缩。当它继续坍缩,半径收缩到史瓦西半径时,黑洞就诞生了。现在科学家以为银河系中存在着不计其数个恒星质量级的黑洞,承认了20多个存在。

当然,假如以质量区分,黑洞还有其他几种类型,如超大质量黑洞和微型黑洞。科学家还不清楚超大质量黑洞是怎么构成的,他们估测是黑洞吸收了其邻近的恒星和气体云等逐步长大而成。关于细小型黑洞,地理学家以为可能是在大爆炸后的前期混沌世界中构成的。

为什么此前看不见黑洞?

看不见黑洞,并不彻底由于它是“黑”的。在此之前,咱们实践上能够调查到的黑洞,是视界以外的部分。黑洞的质量简直都会集于最中心的“奇点”处,但仍有一个临界半径“视界面”,咱们能看到视界面外的物质。但实在让咱们看不到它的原因是,即使是超大质量黑洞,对咱们来说也太小了!按《天然》杂志的说法,要一台比哈勃强壮1000倍的望远镜才干观测它。

比方本年诺奖的效果——EHT团队调查银河系中心的人马座A*的质量适当于400万个太阳,它的视界面直径约为2400万公里,适当于17个太阳巨细,可是它间隔咱们有2.5万光年远,实践对咱们来说十分细小。有许多比方来描述这一间隔,比方中科院国家地理台苟利军研讨员在科普文章中描述,“就像咱们站在地球上观看一枚放在月球外表的橙子”。

另一方面,由于黑洞的强壮引力,它往往被其他亮堂的物质围住,这使得咱们很难看到黑洞自身。这便是为什么在寻觅黑洞时,地理学家一般不会测验直接观测,他们要寻觅黑洞存在的直接依据,比方黑洞对其周围天体的效果和影响。

黑洞周围的吸积盘和喷流,艺术幻想图丨来历:JPL

美国亚利桑亚大学的天体物理学家Dimitrios Psaltis说,“咱们一般丈量恒星和气体运动的轨迹,这些恒星和气体好像盘绕着天空中十分暗的一‘点’旋转,然后咱们丈量那个暗点的质量。假如咱们没能发现其他天体能像它那样质量如此之大、色彩如此之深,咱们就会以为这是黑洞存在的有力依据。”

地理学家还能经过黑洞周围的吸积盘和宣布的喷流而承认它的存在。当物质被黑洞吸收时,会沿着螺旋状的轨迹接近黑洞,然后构成一个圆盘状的吸积盘。在被吸入黑洞的一起,它们还会沿着旋转轴的方向喷出高能粒子,也便是喷流。这些高强度的辐射能被地球上的望远镜捕获到,然后承认黑洞的存在。

黑洞的直接依据一:X射线

1999年,美国国家航空航天局发射了三颗卫星,它们组成了钱德拉塞卡X射线地理台。这是以闻名的美籍印裔物理学家钱德拉塞卡命名的望远镜,专门观测不同天体宣布的X射线。关于黑洞存在的最好依据就来自这儿。

在黑洞的引力下,吸积盘内物质落入黑洞的速度极快,物质之间的冲突使它被加热至数十亿度的高温,然后宣布辐射,这些辐射就包含有X射线。假如黑洞吸收的物质过多,喷流也会呈现迸发。地理学家把这一个进程形象的称为“打嗝”——就像黑洞进食进程中打了一个嗝。

钱德拉塞卡地理台记载了一次闻名的打嗝。两个间隔咱们大约2600万光年的星系NGC 5195和涡状星系NGC 5194,迸宣布了激烈的X射线。这是一对闻名的交互效果星系,天体物理学家以为这次X射线迸发来自里边巨大的黑洞。

左边为哈勃望远镜拍照的光学成像,右侧为X射线成像 来历:Chandra.harvard.edu

与它们类似的是Arp 147,也是两个交互效果的环状星系。这张图画上的紫红色斑驳是激烈的X射线辐射区域,被以为是当两个星系相撞时构成的黑洞。

这张图也是钱德拉塞卡X射线望远镜和哈勃望远镜观测组成 来历:chandra.harvard.edu

此图是X射线拍下的图片

这是来自英仙座星系团中心区域的X射线和声波——黑洞存在的更直接依据:

图中的白点是超大质量黑洞 来历:chandra.harvard.edu

2013年9月,钱德拉X射线望远镜还看到一个从银河系中心黑洞宣布的耀斑,是这儿宣布一般X射线强度400倍,继续了数个小时。

最近的研讨显现,在银河系中心的大黑洞周围,还具有者乃至超越20000个较小的黑洞。一组研讨人员发现了银河系中心三光年规模内存在十几个黑洞的依据。下面也是一个X射线图画,他们用蓝色的圆圈来表明黑洞。

黑洞只要在“吞噬食物”时才会开释激烈的X射线,但“捕捉”它们十分不简单。黑洞一般来说很难侦测到,即使是像银河系中心的黑洞,它的吸积盘也十分昏暗,能记载一下它的迸发并不简单。除了X射线,还有一些其他办法能证明它的存在,比方射电波。

黑洞的直接依据二:喷流,比星系自身还长

这张来自哈勃望远镜和甚大射电望远镜数据组成的图片,显现了来自20亿光年外,有银河系质量1000倍巨细的武仙座A黑洞迸宣布的喷流。这个看似一般的亮堂星系却有一个25亿太阳质量的黑洞,科学家经过VLA看到了它迸宣布的喷流。喷流实践是十分高能的等离子束,只能经过射电望远镜调查到它的信号。其迸宣布的单边间隔就达150万光年,相比之下星系自身在光学成像下就显得十分藐小。

下一张图片显现的也一个巨大的喷流,人们以为喷流正从半人马座A中心的黑洞喷宣布来。半人马座A是一个间隔咱们1300万光年的椭圆星系。它的中心是一个质量为5500万个太阳质量的黑洞。科学家经过运用南半球的射电望远镜联合观测,提醒了其星系长度直径只要15光年。这些喷射流供应了很多的辐射气体,而这些气体远远超出了可见星系的规模。这些喷射流比星系自身还要长。

半人马座A:

半人马座A是天空中最大最亮的天体之一,其间心有一个超大质量黑洞。

半人马座A,也是首个被承认的天体射电源丨来历:NASA

黑洞的直接依据三:恒星盘绕看不见的当地运动

科学家还能够调查到黑洞的极点重力对其周围物体的影响。地理学家记载了黑洞周围恒星20年来,盘绕着咱们银河系中心的人马座A*运动的恒星数据。那些恒星在盘绕一处“空白”——黑洞运转。咱们并不能看到中心的黑洞,但假如那里真的空空如也,恒星的运动轨迹并不会如此。

恒星盘绕黑洞运动 来历:UCLA

在盘绕黑洞运动的恒星里有一个名为S2的恒星,它的盘绕轨迹周期只要16年,比木星盘绕太阳轨迹一周时刻长30%,而它与黑洞中心的间隔缺乏海王星到太阳的4倍,地理学家由此推算出它的质量大约是太阳质量的15倍。而人马座A*黑洞的质量是太阳的400万倍,巨大的引力让它以每小时1800万千米的速度盘绕黑洞运动。2018年,地理学发现它以每小时2500万千米的速度运动,简直到达了光速的3%。

2018年10月ESO的地理学家发布,他们发现了从黑洞吸积盘喷宣布的巨大耀斑,得到了可信的依据。核算显现,这些耀斑的运动速度约为光速的30%,每45分钟绕黑洞一周。只要一个超大质量的黑洞才干解说这种剧烈而有力的运动。ESO陈述称,这些观测结果与理论猜测彻底符合,即在一个质量为400万倍太阳质量的黑洞邻近有一些物质在轨迹上运动。

核算机模仿气体怎么绕黑洞运转 GIF来历:ESO

终“见”黑洞

尽管黑洞间隔咱们过于悠远,地理学家仍想出了办法观测到它。传统的光学望远镜需求运用越来越大的光学镜面来调查世界中物体,而关于射电波来说,还有一种虚拟的办法能把口径变大,这便是此次拍下黑洞相片的视界望远镜。他们使用散布在全球,一共8座毫米波射电望远镜组成了一个观测阵列,也便是视界望远镜,阵列的基线长度简直与地球相同,意味着他们“发明”出了一个地球巨细的望远镜来调查黑洞。它的才能有多强?据麻省理工新闻报道,能够数清万米开外棒球上的缝线。

8处望远镜组成虚拟望远镜阵列丨来历:WIKI

2017年4月,EHT团队连接了世界各地的射电望远镜,让他们都指向人马座A*方向观测几天。实践上,除了半人马座A,他们的方针还有另一个方针——M87星系中心黑洞。这次发布的便是M87黑洞相片,要确保这8处望远镜能一起看到两个黑洞,且到达最高的灵敏度和最大的空间分辨率,每年只要10天左右的最佳观测时刻。

要看到黑洞的相片,另一大难度便是“洗相片”。尽管这个进程在现在社会现已罕见,但科学家得到的是黑洞宣布的射电波数据,要把它们还原成一个可视化的图片十分困难。由于视界望远镜的阵列一晚上就要发生20000TB的数据,和欧洲大型强子对撞机一年发生的数据适当。科学家不行能对这些数据进行实时剖析,他们挑选传输到两个数据中心再会集剖析。观测10天,剖析两年,终究得到了这张黑洞相片。

诺贝尔奖最多只要三个名额,大型团队拍下相片的奉献很难衡量,可是彭罗斯、根泽尔和盖兹的奉献不行磨灭,在了解黑洞的路上咱们将再进一步。

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