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“天文學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)第一個黑洞的？由誰發(fā)現(xiàn)的？何時發(fā)現(xiàn)？請解釋一下第一個黑洞如何被發(fā)現(xiàn)?！?/span>

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沒有哪一位天文學(xué)家可以獨領(lǐng)發(fā)現(xiàn)黑洞的榮譽。在解釋天文學(xué)家如何發(fā)現(xiàn)黑洞存在的跡象之前，有必要了解兩條重要的物理學(xué)背景知識。

1. 任何高于絕對零度（-273攝氏度）的天體都會發(fā)射出熱能，輻射的峰值波長取決于天體的溫度。例如，太陽的表面溫度大約6000開，所以當(dāng)它的排放達到峰值時，會以綠光的形式呈現(xiàn)出來。 如果一個天體的溫度在100萬度左右，它的峰值發(fā)射就會是X射線。

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2.恒星通常因與熱氣壓力和輻射壓力有關(guān)的引力而免于坍縮。但是，一旦熱能來源（核聚變反應(yīng)）切斷，恒星就會坍縮。事實證明，當(dāng)恒星變得越來越致密時，除了氣體壓力，還有其它力量會抵消引力，比如直徑僅為10公里的中子星。但天體物理學(xué)家錢德拉塞卡爾證明，一旦恒星超越了一個最大質(zhì)量，將沒有任何東西可以與引力抗衡。因此，如果我們在太空中發(fā)現(xiàn)了一個致密天體，其質(zhì)量超過了臨界質(zhì)量，我們就可以確定這是一個黑洞。

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圖解：被銀河中心黑洞扯碎的氣體云（2006年、2010年和2013年的觀測結(jié)果分別是以藍色、綠色和紅色表示） ?圖源：wiki

現(xiàn)在回到尋找黑洞的問題上：如果沒有東西能逃離黑洞，黑洞又如何被發(fā)現(xiàn)呢？試想一個雙星系統(tǒng)，一個是黑洞，另一個是正常恒星。如果正常恒星的包層極度接近黑洞，黑洞猛烈的引力就會抽走正常恒星的氣體，將其撕碎、吞噬。

然而，由于角動量守恒，氣體不會直接陷入黑洞，必須圍繞它運行一段時間，才會被吸進去。所以，黑洞周圍形成了一個盤狀結(jié)構(gòu)，氣體被黑洞緩慢吸收。當(dāng)氣體繞圓盤軌道運行時，它的溫度會上升到幾百萬度，發(fā)出光譜中X射線部分的輻射（根據(jù)以上第一條注釋）。所以，當(dāng)我們在空中探測到X射線源，就說明該處存在加熱到幾百萬度的氣體，而黑洞周圍的吸積盤就是實現(xiàn)這一點的機制之一。

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如果發(fā)出X射線的系統(tǒng)是一個雙星系統(tǒng)，那么就可以證明其中一顆恒星是一個致密天體（中子星或黑洞）。雙星系統(tǒng)對天文學(xué)家的研究非常有用，它可以幫助我們測量出系統(tǒng)中恒星的質(zhì)量（根據(jù)開普勒定律）。如果致密天體的質(zhì)量超過了上述提到的臨界質(zhì)量，就可以確定它是一個黑洞，以上便是發(fā)現(xiàn)黑洞的方式。

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? ? ?圖解：天鵝座X-1的X射線 ?圖源：NASA

現(xiàn)在來看看實際發(fā)現(xiàn)：上世紀(jì)70年代初，一個很強的X射線源于天鵝座被發(fā)現(xiàn)，被命名為天鵝座X-1。隨著時間推移，1972年春，天鵝座X-1被認(rèn)為是一顆恒星，編號為HDE226868（為射電源）。很快就證實它是一個周期約為5.6天的雙星系統(tǒng)。

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? ? ?圖解：藝術(shù)家對HDE226868-天鵝座X-1雙星系統(tǒng)的意想圖 ?圖源：ESA/Hubble illustration

根據(jù)狹義相對論，任何東西的傳播速度都無法超過光速。因此，在光從其一端到達另一端所需的時間內(nèi)，一個天體不能改變它的光度。對天鵝座X-1的分析顯示，如果天體放射的光度變化在時間上短至千分之一秒，該天體則只有幾千公里寬。所以，證據(jù)表明其中一個恒星是致密星。最后，天文學(xué)家利用雙星系統(tǒng)確定了致密星的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)它大于臨界質(zhì)量，極有可能是一個黑洞。這是宇宙中第一個被發(fā)現(xiàn)的黑洞。

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圖解：質(zhì)量達太陽10倍的黑洞之電腦模擬圖 ?圖源：wiki

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圖解：在巨大橢圓星系M87核心的超大質(zhì)量黑洞 ?圖源：EHT

從那時起，天文學(xué)家利用多種方式探測到了太空中的數(shù)個黑洞。雖然有一類黑洞質(zhì)量相對較?。ù笥谔栙|(zhì)量的5倍），但也有一些黑洞質(zhì)量特別大（超過太陽質(zhì)量的100萬倍），被稱為超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞被發(fā)現(xiàn)于幾個星系的中心，而我們的銀河系中心擁有一個200萬倍太陽質(zhì)量的黑洞。

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作者: Jagadheep D. Pandian

FY: 徐戈

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