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科普丨黑洞今天终于要显真身了,什么是黑洞?

2019-04-10 20:30:48 来源:启达教育网

大!事!件!

时间:北京时间2019年4月10日21点整

地点:中国科学院上海天文台

事件:人类、首张、黑洞、照片

一早便被这条消息刷屏:北京时间今天晚上21:00,首张黑洞照片即将面世!

是的,是人类首张!此前人类基本都是间接“看到”黑洞,这次则直接“拍”了下来!

这事到底有多大?

比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿等全球六地将同步召开全球新闻发布会,事件视界望远镜(EHT)将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果。在上海,EHT项目和中国科学院将共同发布这一重大成果。

EHT项目,是由全球200多位科研人员共同达成的重大国际合作计划,通过“甚长基线干涉技术”和全球多个射电天文台的协作,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜,用于黑洞探测。

理论上,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体,它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围,该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界

此前,天文学家都是通过各种间接的证据来表明黑洞的存在,而EHT项目则是通过这个拥有地球直径的“虚拟望远镜”直接观测到了黑洞边缘的图像。专家称,人类首张黑洞照片的问世,将对研究黑洞具有重要意义。

黑洞是什么?

黑洞是什么?宇宙中真的有黑洞吗?自上世纪中期开始,人们对黑洞的探秘就从未停止过。

200多年前,英国的米歇尔和法国的拉普拉斯就曾提出: 一个质量足够大但体积足够小的恒星会产生强大的引力,以致连光线都不能从其表面逃走,因此这颗星是完全“黑”的,但这一推论随后被人遗忘。

1915年爱因斯坦发表广义相对论不久,德国数学家史瓦西得到了静态球对称情况下爱因斯坦场方程的一个解,解在一个特殊半径(后称史瓦西半径)处存在奇异性。

科普丨黑洞今天终于要显真身了,什么是黑洞?

M87星系中心的超大质量黑洞的模拟图像。中间的黑色区域是黑洞的剪影。| 图片来源:Jason Dexter (左) and Kazunori Akiyama (右)

1939年美国物理学家奥本海默等也证明确实存在一个时间-空间区域,光也不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。这一区域的边界称为视界,在静态球对称情况下,视界半径就是史瓦西半径。如果某天体的半径小于史瓦西半径,那么该天体就应该是“黑”的,无法被我们看到。

科学家们把这些引力极强而又“看不到”的特殊天体称为“黑洞”。因此,黑洞也是爱因斯坦广义相对论预言的一种产物。

黑洞分为几类?

正如夜空中的星星具有不同的类型一样,黑洞也可以根据它们的大小和质量而被分为几类:

原初黑洞:形成于大爆炸之后,大多数都非常小,质量较低的那些可能已经蒸发殆尽,质量较大的可能依然存在——不过我们还没有发现它们的踪迹。

恒星级黑洞:在大质量恒星的生命末期,最终会形成一颗黑洞。大多数恒星级黑洞的质量介于5到10个太阳质量之间,但有些则比太阳质量高出几十或上百倍。

超大质量黑洞:这些黑洞的质量要比太阳质量高出几百甚至数十亿倍,它们栖居在星系的中央。这些黑洞是如何形成的依旧是天文学中最大的谜题之一。

中等质量黑洞:质量介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间。天文学家已经发现一些可能的候选,但还没有确凿的证据表明它们存在。

黑洞是怎么被发现的?

天文学家发现在一些被X射线望远镜发现的双星(由一个致密星和另一个正常恒星组成)中,致密星的质量比中子星的质量上限(约为3倍太阳质量)还大,但半径却差不多,因此认为这些引力极强的致密星只能是黑洞。

目前在银河系中已发现20多个黑洞X射线双星,它们的黑洞质量大约是太阳质量的5到20倍。

科普丨黑洞今天终于要显真身了,什么是黑洞?

黑洞剪影的模拟图像:广义相对论预言剪影是圆形的(中),其他理论则预言了不同的形状(左、右)。|图片来源:D. Psaltis and A. Broderick

最近几年,地面激光干涉引力波天文台(LIGO) 已宣布已探测到11对双黑洞并合产生的引力波,这些黑洞的质量都是几十个太阳质量。

天文学家通常把这些质量为几个到一百个太阳质量的黑洞叫恒星级黑洞。

二次世界大战后,雷达技术广泛用于射电天文,许多宇宙射电源被发现。这些射电源的光学像有的看起来很像恒星,但光谱观测显示它们本质上不是恒星,而是谱线有巨大红移的银河系外遥远天体。

这些被称为“类星体”的活动星系核能辐射出比银河系高成千上万倍的能量,其发光原理不能用核反应来解释。

科学家们认为类星体的能源来自于其中心质量极大的黑洞吸积周围物质所释放出的巨大引力能↓

科普丨黑洞今天终于要显真身了,什么是黑洞?

类星体中心超大质量黑洞及吸积盘、喷流示意图|图片来源:NASA/Goddard Space Flight Center

后来的观测表明像我们银河系这样的正常星系中心也存在质量在百万太阳质量以上的黑洞,只是因为这些正常星系中心的黑洞周围没有多少可供吞噬的物质,所以其表现不如类星体中心的黑洞“活跃”,无法释放像类星体那样巨大的能量。

天文学家把类星体和星系中心质量在百万到百亿倍太阳质量的黑洞叫超大质量黑洞。

那么宇宙中是否存在介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间、质量为几百到几十万倍太阳质量的中等质量黑洞呢?天文学家虽然在一些近邻星系的极亮X射线源中似乎已找到中等质量黑洞存在的迹象,但还需更多的观测予以证实。

什么是吸积盘?

吸积盘、喷流,细心的你会发现,上面伴随着黑洞的图片中都有提及这些名词,什么是吸积盘?什么又是黑洞喷流?

科普丨黑洞今天终于要显真身了,什么是黑洞?

○在EHT公布突破性结果的前夕,天文学家首次拍摄到在天鹅座A中心的超大质量黑洞周围的“尘埃环”,这是活动星系核(AGN)统一模型的重要成分。| 图片来源:Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

当人们想到黑洞时,脑海中浮现的画面可能就像是一个巨大的吸尘器,它能吸走附近所有的物质。事实上,黑洞确实会通过吞噬附近的物质而成长,但物质落入黑洞实际上是相对困难的。如果物质与黑洞保持了一定的距离,那么它们可以只在引力的作用下一直绕着黑洞旋转,就像太阳系中的行星绕着太阳旋转一样。

因此,如果要使物质能被黑洞吞噬,那么除了引力外,还需要其他的东西让它足够地靠近黑洞。这个过程被称为吸积,它是由摩擦力驱动的。当物质以气体的形式落入黑洞时,它会失去引力能,并因摩擦而受热。气体会在黑洞周围形成一个热盘,并落入黑洞,从而导致黑洞生长。

由于黑洞是如此巨大,但同时又如此致密,物质需要放弃许多能量才能落入。因此超大质量周围的一些吸积盘异常明亮,其亮度可以超过其宿主星系中所有恒星的总和。在银河系中心的人马座A*周围有着相对较暗的吸积盘,其亮度只有太阳的几百倍。EHT的一个关键目标,就是理解为什么相比于宇宙中其他的一些明亮黑洞,我们星系中的黑洞如此暗淡。

黑洞是如何产生喷流的?

一些黑洞是贪婪的饕餮,它们吸入大量的气体和尘埃;而另一些黑洞却是挑剔的吞噬者。没有人知道是什么原因导致了这种差别。

人马座A*似乎属于挑剔的那一类,虽然质量高达400万个太阳质量,但它却有着出奇暗淡的吸积盘。而EHT的另一个观测目标——M87星系中的黑洞,就是一个贪婪的吞噬者。它的周围不仅聚集着一个明亮的吸积盘,它还会发射出一束明亮、快速的带电亚原子粒子喷流,可以延伸到5000光年的距离。

许多其他黑洞产生的喷流比整个星系还要长、还要宽,可以从黑洞延伸到数百万光年之外。那么问题来了:什么东西会如此强大,能够将这些喷流发射到如此遥远的距离?如今在EHT的帮助下,我们终于可以追踪到底发生了什么了。

EHT对M87星系中心黑洞的测量将有助于估计它的磁场强度,而天文学家认为,黑洞的磁场强度与喷流发射机制有关。当喷流接近黑洞时,对喷流性质的测量将有助于确定喷流的来源——它到底是在吸积盘的最内部,还是在吸积盘中更远的地方,又或是在距离黑洞自身更远的地方。这些观测结果还可能揭示出,喷流是从黑洞自身的某些部分发射的,还是吸积盘中快速流动的物质发射的。

由于喷流可以将物质带出星系中心,带向星系之间的区域,因此喷流可能会影响星系的生长和演化,甚至会影响恒星和行星形成的位置。

为什么喷流能摆脱黑洞引力?

所有研究资料都显示,任何物质掉进黑洞都无法逃脱,那么黑洞喷流是怎么回事?是如何逃出黑洞引力的?

不错,黑洞喷射现象是存在的,但不是从黑洞中直接喷射出来的。一般认为是物质掉落黑洞之前,沿着黑洞的自转轴喷射出去。

黑洞引力极强,表面脱离速度(黑洞的第一宇宙速度)大于等于光速,所以任何物质(包括光线)都不能从黑洞离开。

而当黑洞附近有物质源存在时,如有天体存在,或黑洞本身存在于星际气体云中,黑洞就会依靠强大的引力吸引物质向黑洞掉落。物质向黑洞掉落时,也不是直接落向黑洞,而是先进入围绕黑洞高速运动的物质盘中,物质盘在围绕黑洞运动的同时,物质逐渐接近黑洞并加速、升温,然后才会落入黑洞。如果物质不是在黑洞自转赤道附近,而是在自转轴附近,物质在运动速度和温度达到某一程度时,可能会从黑洞自转轴方向喷射出来,这就是黑洞喷流现象。

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