證實黑洞存在:科學家找出8種方法

2021年09月15日19:52

原標題:證實黑洞存在:科學家找出8種方法 來源:參考消息網

參考消息網9月15日報導 美國趣味科學網站8月25日發表文章《我們知道黑洞確實存在的八種方法》,作者是科普作家安德魯·梅。全文摘編如下:

在天文學的所有奇異概念中,黑洞可能是最異乎尋常的。作為宇宙中引力極其強大、連光都無法逃逸的區域,這些黑暗的龐然大物也是一種相當可怕的設想。由於一般的物理定律都會在黑洞中失效,人們很容易將黑洞視為科幻小說中的東西。然而,有大量直接和間接的證據表明,黑洞在宇宙中確實存在。

愛因斯坦的“有力預測”

作為一種理論可能性,黑洞在1916年被卡爾·施瓦茨席爾德預言,他發現黑洞是愛因斯坦廣義相對論的必然結果。換句話說,如果愛因斯坦的理論是正確的(所有證據都表明它是正確的),那麼黑洞肯定存在。

劍橋大學稱,羅傑·彭羅斯和斯蒂芬·霍金後來為黑洞提供了更堅實的基礎,他們表明了任何坍縮成黑洞的物體都會形成一個奇點,傳統的物理定律會在那裡失效。這一觀點已被廣泛接受,彭羅斯因發現“廣義相對論有力預測黑洞形成”而成為2020年諾貝爾物理學獎得主之一。

伽馬射線暴

美國國家航空航天局稱,上世紀30年代,印度天體物理學家蘇布拉馬尼安·錢德拉塞卡爾觀測了恒星在核燃料耗盡時會發生什麼。他發現,最終結果取決於這顆恒星的質量。

美國國家航空航天局稱,如果這顆恒星真的很大,比如說質量為太陽的20倍,那麼它的緻密內核(質量可能是太陽的3倍甚至更大)就會一路坍縮成黑洞。最後的內核坍縮以極快速度發生,只需幾秒鍾,它會以伽馬射線暴的形式釋放出大量能量。這一爆射向太空釋放的能量可能相當於普通恒星在整個壽命中釋放的能量。地球上的望遠鏡已經探測到許多次這樣的爆射,其中有些來自數十億光年以外的星系,因此我們實際上能夠看到黑洞正在誕生。

引力波

黑洞並非總是孤立存在,有時會成對出現,相互環繞運行。當它們這樣做時,它們之間的引力交互作用會在時空中產生漣漪,這些漣漪會以引力波形式向外傳播,這是愛因斯坦相對論做出的另一個預測。

據美國太空網站報導,借助激光干涉引力波天文台等觀測台和室女座探測器,我們現在有能力探測這些引力波。首個關於兩個黑洞合併的發現於2016年宣佈,更多的發現隨之而來。

據趣味科學網站報導,隨著探測器靈敏度的提高,人們發現了除黑洞合併之外的其他引力波產生事件,比如黑洞和中子星之間的碰撞,這發生在距離地球6.5億至15億光年的地方,離我們的銀河系非常遙遠。

不可見的伴隨者

在整個可觀測宇宙中,我們或許在中途看到產生伽馬射線暴和引力波的短暫高能事件。但在黑洞生命的大部分時間里,它們幾乎是不可探測的。它們不會發出任何光或其他輻射,這一事實意味著它們可能在天文學家們不知道的情況下潛藏於我們的鄰近區域。

不過,有一種肯定能探測到這些黑洞的方法,那就是通過它們對其他恒星產生的引力效應。天文學家在2020年觀測看起來很普通的雙星系統HR6819時注意到,這兩顆可見恒星的運動出現了反常之處,這種反常只有在存在第三個完全不可見天體的情況下才能得到解釋。當研究人員計算出它的質量——至少是太陽的4倍時,他們知道,可能性只剩下一種。據趣味科學網站報導,它必定是一個黑洞,迄今發現的最接近地球的黑洞,距離我們的銀河系僅有1000光年。

X射線

黑洞的第一個觀測證據出現在1971年,它同樣來自我們銀河系中的一個雙星系統。這個被稱為“天鵝座X-1”的系統會產生宇宙中一些最亮的X射線。美國國家航空航天局稱,這些射線並非來自黑洞本身,也並非來自黑洞的可見伴星,這顆伴星質量巨大,是太陽質量的33倍。美國國家航空航天局稱,物質不斷從這顆巨大恒星上剝離,並被拖入黑洞周圍的吸積盤,X射線就是從這個吸積盤髮出的。

據趣味科學網站報導,就像對HR6819那樣,天文學家可以利用觀測到的恒星運動來估計“天鵝座X-1”中這個不可見天體的質量。根據最新計算,這個質量為太陽21倍的黑暗天體集中在一個很小的空間,它不可能是除黑洞之外的任何東西。

超大質量黑洞

據趣味科學網站報導,除恒星坍縮產生的黑洞外,有證據顯示,自宇宙歷史早期以來,質量為太陽數百萬甚至數十億倍的超大質量黑洞就一直潛藏在星系中心。就所謂的活動星系來說,這些“重磅”證據引人注目。美國國家航空航天局稱,這些星系的中央黑洞被吸積盤所包圍,吸積盤會產生各種波長的強烈輻射。

我們也有證據證明,銀河系的中心就有一個黑洞。這是因為我們看到該區域的恒星在以最高可達光速8%的極快速度移動,因此它們肯定在圍繞某種體積極小、重量極大的物體旋轉。根據目前的估計,銀河系中心的黑洞質量約為太陽的400萬倍。

“意大利麵化”

證明黑洞存在的另一個證據是,“意大利麵化”。你可能會想,什麼是“意大利麵化”?它就是當你落入黑洞時會發生的事情:你會被黑洞的極大引力拉伸成細條。幸運的是,這不太可能發生在你或你認識的任何人身上。但這很可能是離超大質量黑洞過近的恒星的命運。

2020年10月,天文學家目睹了這種撕裂過程,或者至少他們看到了一顆不幸恒星在被撕裂時發出的閃光。幸運的是,這次“意大利麵化”不是發生在地球附近,而是在2.15億光年以外的星系。

最後——直觀圖像

到目前為止,我們已經掌握了大量證明黑洞存在、有說服力的間接證據:輻射爆發、引力波,或者其他天體受到的動態影響,這些都是任何科學已知的其他天體無法產生的。

但最終起決定性作用的證據出現在2019年4月,它是活動星系梅西耶87中心超大質量黑洞的直觀圖像。這張令人驚歎的照片是由事件視界望遠鏡拍攝的,這個名字略帶誤導性,因為它是分散在世界各地的龐大望遠鏡網絡,而非單獨一台儀器。美國國家航空航天局稱,能夠參與的望遠鏡越多,它們的間距越大,最終圖像質量就越好。據趣味科學網站報導,這一結果清楚地顯示了這個質量為太陽65億倍的黑洞被吸積盤橙色光芒包圍的暗影。

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