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物理學(xué)家們目前正處于揭示黑洞新知識(shí)的黃金時(shí)代。自2015年以來，研究人員已經(jīng)能夠使用激光干涉儀引力波天文觀測(cè)臺(tái)(LIGO)直接從正在合并的黑洞中獲取信號(hào)，同時(shí)視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)等觀測(cè)站已經(jīng)生成了第一張黑洞陰影的圖像。今年也如期望的一般，新收獲的令人興奮且獨(dú)特的研究、觀測(cè)結(jié)果在不斷擴(kuò)展著我們看黑洞的視野。接下來，讓我們一起來看看2020年一些關(guān)于黑洞的驚人發(fā)現(xiàn)吧。

一、諾貝爾物理獎(jiǎng)“走進(jìn)”黑洞

似乎是為了證明:在黑洞研究這方面，今年是有偉大發(fā)現(xiàn)的一年，科學(xué)的最高成就——諾貝爾獎(jiǎng)，于10月頒發(fā)給了三位闡明了這些神秘的宇宙實(shí)體生命的物理學(xué)家。英國(guó)牛津大學(xué)的羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）獲得了一半的諾貝爾物理獎(jiǎng)獎(jiǎng)金，“因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)黑洞的形成是對(duì)廣義相對(duì)論的有力預(yù)測(cè)”。根據(jù)瑞典皇家科學(xué)院的反映，加州大學(xué)洛杉磯分校的安德里亞·格茲（Andrea Ghez）和畢業(yè)于波恩大學(xué)的并且同時(shí)兼任德國(guó)馬克斯·普朗克地外物理研究所所長(zhǎng)的萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）共同獲得了另一半獎(jiǎng)金，“因?yàn)樵阢y河系中心發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大質(zhì)量的致密天體”。

繼1903年的居里夫人，1963年的瑪麗亞·歌珀特·梅耶爾和2018年的唐娜·斯特里克蘭之后，安德里亞·格茲（Andrea Ghez）是有史以來的第四位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性。

二、LIGO觀測(cè)到了迄今為止最大的黑洞

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（引用圖片來源：N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno, and the SXS Collaboration）

LIGO及其歐洲同行的處女座通過引力波觀測(cè)黑洞，當(dāng)巨大的物體振動(dòng)時(shí)，會(huì)在時(shí)空中產(chǎn)生巨大的波紋。這些設(shè)備已經(jīng)獲得了大量的令人印象深刻的發(fā)現(xiàn)。但是在五月份，合作方宣布已經(jīng)探測(cè)出迄今為止最大的黑洞碰撞，是由一個(gè)85倍和一個(gè)66倍于太陽質(zhì)量的兩個(gè)黑洞碰撞而形成的，此黑洞的質(zhì)量是太陽的142倍。

除了設(shè)置記錄以外，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是首次在所謂的“禁止”區(qū)域中觀測(cè)中等質(zhì)量的黑洞。雖然天文學(xué)家已經(jīng)粗略地觀測(cè)到了相對(duì)于太陽質(zhì)量的小質(zhì)量黑洞，并且知道星系中心存在相比太陽質(zhì)量大數(shù)百萬倍的巨大黑洞，但是從來沒有人有證據(jù)證明這些中等范圍的黑洞。它們確切的形成依然是一個(gè)謎團(tuán)，科學(xué)家也正在努力地揭開這個(gè)謎團(tuán)。

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三、原始黑洞使它變大！

大爆炸后不久，宇宙中充滿了熾熱、湍急的輻射。在一些能量密度足夠大的區(qū)域，理論上甚至可能會(huì)坍縮形成黑洞。雖然物理學(xué)家們還不清楚這些被成為原始黑洞（PBHs）的實(shí)體是否存在，但是他們最近一直在思考如果存在會(huì)發(fā)生什么。包括11月份發(fā)表的一篇論文在內(nèi)的幾篇研究論文都提出這些黑洞——其中一些或許比垂死恒星形成的黑洞還小——可能構(gòu)成了暗物質(zhì)，一種對(duì)整個(gè)宇宙具有引力影響的物質(zhì)。在接下來的幾年里，會(huì)有不少尋找PBHs的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，并且會(huì)證明或者駁斥它們的存在。

四、超大型的黑洞可能存在

如果把星系中心的巨大黑洞變成11個(gè)會(huì)怎樣？這正是研究人員們?cè)?月份發(fā)表的一篇論文中提出的觀點(diǎn)，這篇論文討論了“超大型黑洞”（SLABs）存在的可能性。這些“超大型黑洞”的質(zhì)量將至少是太陽質(zhì)量的一萬億倍，比目前已知的最大的黑洞重10倍，其中一個(gè)擁有660億太陽質(zhì)量的龐然大物名叫“TON 618”。一些“超大型黑洞”可能形成于早期宇宙，使它們成為了另一類的原始黑洞，這也意味著我們可能能夠在宇宙微波的背景中看到它們的印跡——這是宇宙只有38萬歲時(shí)留下來的光。

如果我們之間有一個(gè)“超大型黑洞”，通過觀察它們?nèi)绾闻でb遠(yuǎn)恒星的光線，或許我們還可以發(fā)現(xiàn)其他的一些黑洞。這個(gè)概念目前還處于假設(shè)階段，但是已經(jīng)吸引了越來越多的關(guān)注。

五、LIGO探測(cè)到一個(gè)不平衡的合并

LIGO和室女座探測(cè)到的大多數(shù)黑洞二對(duì)的質(zhì)量大致相同。但今年4月，該組織宣布，他們觀測(cè)到了迄今為止最不對(duì)稱的撞擊。這兩顆天體在24億光年之外相撞，它們的質(zhì)量分別是太陽的8倍和30倍。西北大學(xué)引力波科學(xué)家克里斯托弗·貝里在當(dāng)時(shí)的一篇博文中寫道:“這大致相當(dāng)于一個(gè)普通奧利奧與一個(gè)超大奧利奧的比例?！边@樣的意外事件被認(rèn)為是非常罕見的，以至于引力波設(shè)備在運(yùn)行了幾年之后就看不到它了。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了這些假設(shè)，并促使研究人員考慮層級(jí)合并的可能性。層級(jí)合并是指一個(gè)黑洞與另一個(gè)黑洞碰撞，然后產(chǎn)生的殘余繼續(xù)與另一個(gè)黑洞合并，作為一種解釋。

六、望遠(yuǎn)鏡觀察黑洞把一顆恒星“做成意大利面狀”

當(dāng)一個(gè)有質(zhì)量的物體在一定距離內(nèi)到達(dá)一個(gè)黑洞時(shí)，巨大的引力可以將該物體撕成長(zhǎng)條狀的碎片并且拋灑在四周。這個(gè)過程，俗稱“意大利面花化”并不是很常見因?yàn)榇蠖鄶?shù)黑洞都配朦朧的氣體團(tuán)和塵埃圍繞，它們就像黑洞前一頓飯的飽嗝聲和未被消化的物質(zhì)。但是在十月，歐洲南天文臺(tái)的天文學(xué)家們成功通過史無前例的細(xì)節(jié)使用超大望遠(yuǎn)鏡和新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡捕捉到一顆恒星的意大利面花化。這個(gè)猛烈的事件，被平淡地稱為2019qiz，將讓研究人員了解這些事件，并幫助他們更好地理解極端環(huán)境下的重力。

七、發(fā)現(xiàn)的離我們最近的黑洞

沒有人想要離黑洞太近（參見意大利面花化的條目）。幸運(yùn)的是，今年5月看到的這顆“吃豆人”與一對(duì)名為HR 6819的伴星在軌道上運(yùn)行，它與伴星之間的距離是天文上的安全距離。這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的黑洞潛伏在距離地球1000光年的南部望遠(yuǎn)鏡星座，比之前的紀(jì)錄保持者近了三倍。天文學(xué)家無法直接觀測(cè)到黑洞本身，但可以根據(jù)它如何影響系統(tǒng)中另外兩個(gè)物體的引力，拉動(dòng)它們的軌道，推斷出黑洞的存在。南半球的天文觀測(cè)者可以通過查看星圖和在孔雀座附近的天文望遠(yuǎn)鏡看到HR 6819系統(tǒng)中的星星。

八、黑洞可能是毛球

黑洞的形成：質(zhì)量和能量塌縮成一個(gè)密度無限大的小點(diǎn)。因?yàn)闊o限在物理學(xué)上是不存在的，所以理論家們一直不承認(rèn)這一個(gè)結(jié)果。根據(jù)使用亞原子取代了所有粒子和力的弦理論，黑洞實(shí)際上可能是一種更奇怪的東西-一種由弦組成的毛絨絨的毛線球。在十月，一個(gè)研究表明，中子星（一種不足以致密得形成黑洞的恒星殘?。?shí)際上是一束弦，這些弦擠壓在一起不會(huì)形成黑洞而是一個(gè)看起來像黑洞的毛線球。這個(gè)理論仍需被具體化，但是它是一種解釋無限的選擇。

九、危險(xiǎn)的“赤裸”黑洞可能潛伏在宇宙中

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根據(jù)物理學(xué)家的說法，每個(gè)黑洞都應(yīng)該被所謂的視界所包圍——一個(gè)你一旦掉進(jìn)去就再也出不來的邊界。然而，自從首次提出黑洞的假設(shè)以來，研究人員一直想知道事件視界是否是嚴(yán)格必要的。有沒有可能沒有黑洞，也就是所謂的“裸”黑洞呢?這可能是危險(xiǎn)的，因?yàn)橐阎奈锢矶稍诤诙吹囊暯鐑?nèi)失效了，而一個(gè)赤裸的黑洞不會(huì)提供這種屏障的保護(hù)。

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盡管大多數(shù)理論家認(rèn)為黑洞不允許出現(xiàn)裸露現(xiàn)象，但11月發(fā)表的一篇論文指出，可能有一種方法可以確定黑洞是否存在裸露現(xiàn)象。關(guān)鍵在于尋找吸積盤的不同之處。吸積盤是指當(dāng)黑洞吸入氣體時(shí)形成的氣體和塵埃環(huán)，它可以顯示出裸黑洞和正常黑洞的明顯區(qū)別。

十、一個(gè)黑洞的寶庫

對(duì)黑洞科學(xué)家來說，今年的圣誕節(jié)來得早。今年10月，監(jiān)督LIGO和歐洲Virgo的合作項(xiàng)目發(fā)布了大量新的引力波信號(hào)目錄，其中包括2019年4月至9月間探測(cè)到的數(shù)十個(gè)引力波信號(hào)。39事件包括許多有趣的結(jié)果,比如這個(gè)巨大的黑洞合并,導(dǎo)致一個(gè)遺跡有142倍太陽質(zhì)量,極其不平衡的事件和群眾八30次太陽和一個(gè)神秘的對(duì)象,似乎是一個(gè)小黑洞或中子星。

研究人員對(duì)這些數(shù)據(jù)感到興奮，數(shù)據(jù)顯示，這些設(shè)備平均每5天接收一個(gè)新信號(hào)，并計(jì)劃利用這些數(shù)據(jù)更好地了解黑洞合并的行為和頻率。

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參考資料

根據(jù)9月2日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》和《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》的一系列論文，名為L(zhǎng)IGO和Virgo的引力波探測(cè)器，探測(cè)到一個(gè)142倍太陽質(zhì)量的黑洞。

這個(gè)黑洞由兩個(gè)質(zhì)量分別85倍和65倍于太陽的黑洞合并形成。這個(gè)合并而成的黑洞，是科學(xué)家通過引力波觀測(cè)到的最大質(zhì)量黑洞，也是首次觀測(cè)到中等質(zhì)量黑洞（100~1000倍太陽質(zhì)量）。

此外，其中85倍太陽質(zhì)量的黑洞，挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的天文學(xué)認(rèn)知。此前天文學(xué)家認(rèn)為，通過恒星坍縮不可能形成這一質(zhì)量的黑洞。這項(xiàng)研究勢(shì)必將幫助人類更好地理解黑洞的演化。

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作者：Adam Mann?

FY：Astronomical volunteer team

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