那些年我們一起尋找過的黑洞痕跡

“黑洞”聽起來有如科幻電影般神秘，但一些重大證據(jù)卻證實(shí)了它們的存在。

在天文學(xué)所有遙遠(yuǎn)的概念里，黑洞是最具神秘感的。這是一個(gè)物質(zhì)被強(qiáng)大引力緊密包裹著的宇宙空間，任何細(xì)微的東西都無法逃脫甚至光本身，毫無疑問這些黑暗的龐然大物也呈現(xiàn)出了相當(dāng)可怕的前景。隨著所有常規(guī)的物理規(guī)則在黑洞內(nèi)部被打破，人們很容易認(rèn)為黑洞只是科幻小說里的東西。然而大量直接和間接的證據(jù)表明，它們確實(shí)存在于宇宙中。

愛因斯坦的“魯棒預(yù)測(cè)”

阿爾伯特 · 愛因斯坦

黑洞的發(fā)現(xiàn)是愛因斯坦的廣義相對(duì)論的必然結(jié)果。

(圖片來源:貝特曼 /貢獻(xiàn)者)

作為一種理論可能性，卡爾·史瓦西在1916年預(yù)測(cè)了黑洞，他發(fā)現(xiàn)黑洞是愛因斯坦廣義相對(duì)論的必然結(jié)果。換句話說，如果愛因斯坦的理論是正確的（所有的證據(jù)也表面它是），那黑洞就一定存在。

隨后，羅杰·彭羅斯和斯蒂芬·霍金為他們的理論奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。劍橋大學(xué)表示，任何坍陷成黑洞的物體都會(huì)形成一個(gè)奇點(diǎn)，在這個(gè)奇點(diǎn)上，傳統(tǒng)的物理定律就失效了。這已被廣泛接受，彭羅斯被授予2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一部分，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)黑洞的形成是廣義相對(duì)論的穩(wěn)健預(yù)測(cè)。

伽馬射線爆發(fā)

地球上的探測(cè)設(shè)備探測(cè)到伽馬射線的爆發(fā)是由黑洞的誕生引起的。

（圖片來源：NASA/Swift/Cruz deWilde）

據(jù)美國(guó)宇航局的消息，印度天體物理學(xué)家 蘇布拉馬尼亞·錢德拉塞卡在 1930 年代研究了當(dāng)一顆恒星用完所有核燃料后會(huì)發(fā)生什么。通過研究發(fā)現(xiàn)，最終的結(jié)果取決于恒星的質(zhì)量。 根據(jù)美國(guó)宇航局的說法，如果那顆恒星的質(zhì)量足夠大（比如有 20 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量那么大），那么這顆恒星的致密地核（它本身可能是太陽(yáng)質(zhì)量的三倍或更多倍）會(huì)一直坍縮成一個(gè)黑洞。 最后這顆恒星的地核坍塌將發(fā)生得非常迅速，以至于在幾秒鐘之內(nèi)，并且它會(huì)以伽馬射線爆發(fā)的形式釋放出巨大的能量。 這種爆發(fā)向太空輻射的能量總量與普通恒星在其整個(gè)生命周期中散發(fā)的能量一樣多。 地球上的望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)探測(cè)到了許多這樣的爆發(fā)，其中一些來自數(shù)十億光年外的星系； 所以實(shí)際上我們能觀測(cè)到黑洞正在誕生。

引力波，中子星

藝術(shù)家對(duì)引力波的印象。相互環(huán)繞的黑洞會(huì)在時(shí)空中產(chǎn)生漣漪，并以引力波的形式向外傳播。

（圖片來源：R. Hurt/Caltech-JPL）

黑洞并不總是孤立地存在著——它們時(shí)而成對(duì)出現(xiàn)，時(shí)而相互環(huán)繞。在這樣的過程中，它們之間的引力相互作用會(huì)在時(shí)空中產(chǎn)生漣漪，并以引力波的形式向外傳播——這是愛因斯坦相對(duì)論的另一個(gè)預(yù)測(cè)。跟據(jù)《生活科學(xué)》姊妹網(wǎng)站 Space.com的 報(bào)道，借助激光干涉儀引力波天文臺(tái)和處女座等天文臺(tái)，我們現(xiàn)在有能力探測(cè)到這些波。第一個(gè)發(fā)現(xiàn)涉及兩個(gè)黑洞的合并，早在 2016 年就宣布了，此后又有更多發(fā)現(xiàn)。隨著探測(cè)器靈敏度的提高，除了黑洞合并之外的其他產(chǎn)生波的事件正在被發(fā)現(xiàn)——例如黑洞和中子星之間的碰撞，它發(fā)生在我們銀河系之外，距離我們 6.5 億到 15 億光的地方——據(jù)報(bào)道，距地球數(shù)年。

隱伴星

這幅藝術(shù)家的作品展示了HR 6819三星系統(tǒng)中天體的軌道，該系統(tǒng)由一對(duì)雙星組成，其中一顆恒星(藍(lán)色軌道)圍繞一個(gè)黑洞(紅色軌道)運(yùn)行，以及另一顆軌道更寬的恒星(藍(lán)色軌道)。

(圖片來源:L. Cal?ada/ESO)

這幅藝術(shù)家的作品展示了HR 6819三星系統(tǒng)中天體的軌道。

產(chǎn)生伽馬射線暴和引力波的短暫高能事件可能在可觀測(cè)宇宙的一半范圍內(nèi)可見，但在其生命周期的大部分時(shí)間里，黑洞由于其本身的性質(zhì)幾乎無法被檢測(cè)到。因?yàn)樗鼈儾话l(fā)出任何光或其他輻射，這意味著它們可能潛伏在我們的宇宙附近而天文學(xué)家卻沒有注意到。不過，有一種確定無疑的方法可以探測(cè)到黑暗巨獸，那就是通過它們對(duì)其他恒星的引力作用。2020年，天文學(xué)家在觀測(cè)這個(gè)看起來很普通的雙星系統(tǒng)(即繞軌道運(yùn)行的恒星對(duì))時(shí)注意到，這兩顆可見恒星的運(yùn)動(dòng)中有一些奇怪的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象只有在如果該雙星系統(tǒng)里存在第三個(gè)完全看不見的天體時(shí)才能解釋。當(dāng)他們計(jì)算出那顆看不見的天體的質(zhì)量時(shí)發(fā)現(xiàn)它至少是太陽(yáng)質(zhì)量的四倍，研究人員知道只剩下一種可能了。據(jù)《生活科學(xué)》報(bào)道，這肯定是一個(gè)黑洞———這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的離地球最近的黑洞，且距離我們的星系僅有1000光年。

X 射線視覺

黑洞天鵝 X-1 正在從一顆巨大的藍(lán)色伴星中吸取物質(zhì)。這些“東西”在黑洞周圍形成了一個(gè)吸積盤。

（圖片來源：NASA/CXC）

黑洞天鵝 X-1 正在從一顆巨大的藍(lán)色伴星中吸取物質(zhì)。

黑洞的第一個(gè)觀測(cè)證據(jù)出現(xiàn)在 1971 年，這也來自我們銀河系內(nèi)的雙星系統(tǒng)。該系統(tǒng)被稱為 天鵝 X-1，產(chǎn)生了一些宇宙中最亮的 X 射線。根據(jù)美國(guó)宇航局的說法，它們不是來自黑洞本身，也不是來自它可見的伴星（十分巨大，質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的 33 倍）。相反，這些物質(zhì)不斷地從巨星中剝離出來并被拖入黑洞周圍的吸積盤中，美國(guó)宇航局認(rèn)為，正是從這個(gè)吸積盤中發(fā)射出了 X 射線。正如他們對(duì) HR 6819 所做的那樣，天文學(xué)家可以使用觀測(cè)到的恒星運(yùn)動(dòng)來估計(jì)天鵝 X-1 中看不見的物體的質(zhì)量。據(jù)《生活科學(xué)》報(bào)道，最新的計(jì)算結(jié)果將這個(gè) 21 倍太陽(yáng)質(zhì)量的暗天體集中在一個(gè)如此小的空間中，以至于它只能是一個(gè)黑洞。

超大質(zhì)量黑洞

在我們星系的中心有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞位于人馬座 A 區(qū)域。它的質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的 400 萬倍。

(圖片來源:ESA C. Carreau)

據(jù)《生活科學(xué)》報(bào)道，黑洞除了自恒星坍縮而產(chǎn)生以外，有證據(jù)表明，它們自宇宙歷史早期就潛伏在星系的中心了，并且每一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞都是太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百萬甚至數(shù)十億倍。在所謂的活動(dòng)星系中，這些重量級(jí)星系存在的證據(jù)是驚人的。據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局稱，這些星系的中心黑洞被吸積盤包圍，這些吸積盤會(huì)產(chǎn)生各種波長(zhǎng)的強(qiáng)輻射。我們也有證據(jù)表明我們自己的星系在其中心也有一個(gè)黑洞。那是因?yàn)槲覀兛吹皆搮^(qū)域的恒星以非?？斓乃俣刃D(zhuǎn)（速度高達(dá)光速的 8%），以至于它們必須繞著一個(gè)非常小而巨大的物體運(yùn)行。據(jù)目前的估計(jì)，銀河系中心黑洞的質(zhì)量約為400萬倍的太陽(yáng)質(zhì)量。

拉面效應(yīng)

黑洞存在的另一個(gè)證據(jù)是——拉面效應(yīng)。 您可能感到好奇，什么是拉面效應(yīng)？ 拉面效應(yīng)就是當(dāng)你掉進(jìn)黑洞時(shí)會(huì)發(fā)生的情況，這是不言自明的。 你將被黑洞的極端引力拉成細(xì)細(xì)的線狀，類似于拉面越拉越長(zhǎng)越拉越細(xì)。 據(jù)《生活科學(xué)》報(bào)道，幸運(yùn)的是，這種情況不太可能發(fā)生在你或你認(rèn)識(shí)的任何人身上，但這很可能是一顆恒星的命運(yùn)，如果它太靠近一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。2020年10月天文學(xué)家目睹了這一碎裂，或者至少他們看到了一顆倒霉的恒星被撕裂時(shí)發(fā)出的閃光。幸運(yùn)的是，這種拉面效應(yīng)并沒有發(fā)生在地球附近而是發(fā)生在2.15億光年之外的一個(gè)星系。

最后——黑洞的直接圖像

有史以來第一張黑洞的直接圖像，黃色環(huán)圍繞著黑色圓圈

有史以來第一張黑洞的直接圖像。 （圖片來源：視界望遠(yuǎn)鏡合作項(xiàng)目）

目前為止，大量令人信服的關(guān)于黑洞的間接證據(jù)表明：沒有任何其他被科學(xué)承認(rèn)的已知物體能產(chǎn)生輻射或引力波的爆發(fā)，以及對(duì)其他物體形成動(dòng)態(tài)影響。但轉(zhuǎn)折發(fā)生在2019 年 4 月，最后的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)以活動(dòng)星系梅西耶87中心超大質(zhì)量黑洞的直接圖像的形式出現(xiàn)。這張令人驚嘆的照片是由事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的——這個(gè)名字有點(diǎn)誤導(dǎo)，因?yàn)樗怯缮⒉荚谑澜绺鞯氐拇笮屯h(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)組成的，不僅僅是一個(gè)單一的儀器。根據(jù)美國(guó)宇航局的觀點(diǎn)，觀測(cè)活動(dòng)中參與的望遠(yuǎn)鏡越多，它們的間距越大，最終的圖像質(zhì)量就越好。據(jù)《生活科學(xué)》報(bào)道，結(jié)果清楚地展示了這個(gè)有著65億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞在其周圍吸積盤橙色光芒的映襯下的陰影。

BY: Andrew May

FY: 人間散步

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