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文章作者:管理一号 | 2019-11-30
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黑洞是个既陌生又熟悉的话题。它常常涌如今科幻著作中,被描述成具有着吸尘器般巨大年夜吸引力、并且隐身的贪婪怪兽。前几年火遍大年夜江南北的《星际穿越》展示了一个穿着发光腰带的黑洞——卡冈图雅。让我们不由困惑,黑洞四周本来也能发光?

一旦进了这个“洞”,谁都别想出来

卡冈图雅

前日(北京时间2019年11月28日)凌晨,世界顶尖迷信期刊《天然》在线发布了我国地理学家主导的一项严重发明。中国迷信院国度地理台刘继峰研究员、张昊彤研究员引导的研究团队发清楚明了一颗迄今为止最大年夜质量的恒星级黑洞。这个严重停顿生怕也刷爆了大年夜家的同伙圈。

那么,黑洞毕竟是甚么?黑洞是黑的吗?我们若何“看”到黑洞呢?

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最简单的黑洞模型是不带电也不迁移转变的黑洞。这个模型源自1916年德国地理学家卡尔·史瓦西经过过程求解爱因斯坦引力场方程取得的一个精确解,该模型也因此得名史瓦西黑洞模型。

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史瓦西 (图片来源:维基)

在这个模型中,黑洞中间是奇点,奇点是个时空被无穷曲折的区域,那边密度无穷大年夜;黑洞的构成使时空由视界分红了两部分——视界内和视界外。物质和光可以从视界外进入视界内,反之弗成。这是由于在黑洞的视界内,引力很强,以致于连光都没法逃离。假设连光也出不来,那边面就是黑的,这也是它得名“黑洞”的重要缘由。

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视界 (图片来源:维基)

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重要-视界半径全体后果 (图片来源:维基)

视界就像是实际生活中的地平线。视界以内就像是地平线以下,是我们没法看到的处所;视界以外就像是地平线以上。我们能看到视界以外,却没法看到视界以内。而视界的大小(视界面到奇点的间隔)重要取决于黑洞的一个重要参数——质量。

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致密天体的质量范围 (图片来源:NASA)

要完全描述一个黑洞,就只需求知道三个参量:质量,相当于有多重;电荷,带不带电,带正电还是负电,带若干电;角动量,指黑洞能否转动,转动的才能和偏向怎样。知道了它们三个参量,便知道了一切。这就是“黑洞无毛定理”。在我国,由于有着有名的漫画人物“三毛”,我们又称无毛定理为三毛定理。

在角动量和电荷参量雷同的情况下,黑洞质量越大年夜,视界就越大年夜;质量越小,视界就越小。假设把我们的太阳紧缩到直径3千米那么大年夜,太阳内的物质将赓续延长塌陷,直至被挤压到奇点处,成为一个黑洞。

相较于史瓦西模型,宇宙中的黑洞很能够是迁移转变的、有质量的黑洞,但大年夜多黑洞是不带电的。

根据质量,地理学家们将宇宙中的黑洞分红三类:恒星级质量黑洞、中等质量黑洞和超大年夜质量黑洞。恒星级质量黑洞,几倍-几百倍太阳质量;超大年夜质量黑洞,几百万倍太阳质量以上;而中等质量黑洞,质量位于二者之间。

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超大年夜质量黑洞  (图片制造:李兆聿,上海地理台,背景图片来源:NASA和Misti Mountain Observatory)

今朝广泛认为,恒星级质量黑洞,是大年夜质量恒星演变到早期,产生超新星爆炸以后留下的残骸。而超大年夜质量黑洞,是更小质量的黑洞产生并合和吞噬物质构成的。

要想“看到”黑洞,其实也没那么轻易

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首张黑洞照片M81(图片来源:EHT)

北京时间2019年4月10日,全球多地调和举办发布会,发布了人类的首张黑洞相片,供给了黑洞的首个直接视觉根据。在此次摄影前,重要有三类代表性根据可以或许证明黑洞的存在:

1. 恒星、气体的活动泄漏了黑洞的踪迹。黑洞有强引力,对四周的恒星、气领会产生影响,可以经过过程不雅测这类影响来确认黑洞的存在。

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第一次探测到的引力波旌旗灯号GW150914  (图片来源:LIGO)

2. 根据黑洞吸积物质(迷信家们把这个过程比方成“吃器械”)宣布的光来辨别黑洞的存在。在黑洞强引力的感化下,四周的气体向黑洞着落,在间隔黑洞几倍到几万倍视界的处所构成一个发光的腰带——吸积盘。以超大年夜质量黑洞为例,假设把黑洞的吸积盘区域比作一个黄豆,普通星系就相当于一个身高5万米的巨人,虽然说黄豆般大年夜小的活泼黑洞比巨人般的星系小切切倍,但每秒钟宣布的能量却要强很多。这类小标准、大年夜能量的性质使我们揣度它很能够是黑洞。

3. 经过过程勘察到黑洞发展的过程勘察黑洞。LIGO勘察的五次引力波都对应了恒星级质量黑洞的并合任务,见证了更小的黑洞借助并合发展为更大年夜黑洞的过程。这类引力波的发明,也是我们揣摸黑洞存在的证据之一。

摸索黑洞,也是为了更好地摸索宇宙

地理学家们发明,至少在近邻星系中,黑洞质量越大年夜,它所栖息的星系也具有更大年夜质量的核球,核球中恒星的速度弥散也更大年夜。这一景象预示了黑洞和星系像是约好普通停止协同演变。经过过程不雅测数据,再综合实际研究、计算机模仿,就可以赞助答复黑洞的生长成绩、黑洞与宿主星系的关系。

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黑洞质量和寄主星系核球质量之间的关系  (图片来源:搜集)

世界早期的黑洞宣布的光要经过漫绵长路,穿越星(系)际物质时部分会被接收。因此我们取得的光谱中有着很多的接收线,这些接收线构成星际物质留给我们的“足迹”,为我们研究世界中物质分布和全部构造供给了史无前例的协助。

世界早期的黑洞宣布的光要经过漫绵长路,穿越星(系)际物质时部分会被接收。因此我们取得的光谱中有着很多的接收线,这些接收线构成星际物质留给我们的“足迹”,为我们研究世界中物质分布和全部构造供给了史无前例的协助。


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