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探测黑洞 精选

已有 3914 次阅读 2022-5-26 20:15 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦

探测黑洞


人类要敬畏头顶上的星空,那儿有亮星也有黑洞,它们还喜欢牵手而行。众里寻他千百度,亮星旁边有黑洞……


如今大家对黑洞已经不陌生,有时在新闻里都有报道。一百多年前,爱因斯坦建立了他最引以为傲的广义相对论,人们将它用于宇宙得到三个预言:宇宙膨胀、黑洞、引力波,爱因斯坦都不相信它们真实存在。爱因斯坦直到1955年去世为止,一直不相信宇宙中真有黑洞。因此,黑洞是爱因斯坦理论的预言,却不是爱因斯坦本人的预言。然而,天文学100年来的进展,越来越证实黑洞的存在。宇宙中可能存在的黑洞有3种:极小、恒星级、超大。除了量子级别的极小黑洞尚未被发现,其它两类黑洞的巨大引力对其周围物质引起的间接效应,都已经被多次观察到。


·恒星黑洞


德国物理学家史瓦西从广义相对论得到史瓦西黑洞解。之后,印度物理学家钱德拉塞卡,以及美国物理学家奥本海默对引力塌缩的研究,得到预言:大于(8个)太阳质量的恒星,当热核物质烧完后,引力塌缩可能形成三种天体,黑洞是其一。


恒星归宿的三种天体,白矮星早在1910年就被发现,中子星也在1967年被发现。于是,20世纪六七十年代,天文学家们开始在天空中寻找黑洞。茫茫宇宙中,黑洞在哪里呢?黑洞不发光、不辐射,便不能被看见,那么应该如何来寻找它们?最后,人们把寻找的目标指向了双星系统。

第一个恒星黑洞,在探测X-射线源时被偶然发现于一个双星系统。说偶然也不偶然,X射线源、双星,这些其实都和黑洞的特点有关。我们依赖接受来自天体的辐射,寻找星星探月观天。辐射除了可见光之外,还有射电波、X射线、伽马射线。


火箭把人带上了太空,能够到太空探测X射线,更为方便。1962年,美国天文学家贾科尼进行X射线全天扫描利用探空火箭。1970年,贾科尼在天鹅座的一颗蓝巨星处发现一个很强的X射线源。进一步研究蓝巨星的运动,发现她不是单身,还有一个暗藏的舞伴!


强大的X射线都是来自于这个舞伴,原来蓝巨星与一个黑洞相伴!蓝巨星和黑洞共同牵手十分美妙舞姿翩翩。蓝巨星质量约20-40太阳质量,舞伴10-20太阳质量,超过形成黑洞的极限。贾科尼后来获得2002年的诺贝尔物理奖,因为他对X射线天文学的研究,也包括他对人类第一次发现黑洞(天鹅座X-1)的贡献!


寻找黑洞(视频)


天鹅座X-1黑洞视界半径约为26km,离我们6000光年。霍金的名字也经常与黑洞连在一起,造成错觉,人们以为他发现了黑洞。黑洞发现者不是霍金,他只是研究黑洞理论的一连串物理学家中之一:

爱因斯坦方程 =》史瓦西解 =》贝肯斯坦熵 =》霍金辐射 =》彭罗斯奇点


第一次观察到天鹅座X-1可能是黑洞时,霍金便与基普·索恩打赌,霍金赌天鹅座X-1不是一颗黑洞,索恩则相反。两人以互订杂志为赌注:如果霍金赢,索恩给他订4年《侦探》,反之,霍金给索恩订1年《阁楼》。实际上当时,两位学者都知道天鹅座有80%的可能性是黑洞,但这是霍金采取的打赌的“保险措施”。因为他无论输赢都高兴,赢了得杂志,输了则证明了他的理论。


后来,观测证据显示这个系统中存在着引力奇点,的确是一个黑洞。霍金承认打赌失败,给索恩订了一年杂志,还大张旗鼓地按手印“认输”,但他打心眼里高兴,因为这是黑洞物理理论的第一个观测证据。


霍金为第一个黑洞打赌


·第一张黑洞照片

 

爱因斯坦生前不相信黑洞真实存在,他去世十来年后发现的第一个恒星黑洞,14倍太阳质量,固然令他吃惊和高兴,但听到这个超重黑洞,太阳质量65亿倍的巨无霸,人类还给它拍了一种照片,再一次证明爱因斯坦神预言,天堂里的他会怎么想呢?

 

科学家们不仅确定了宇宙中存在超大黑洞,还公布了第一张黑洞照片,超大黑洞存在于星系中心,在我们的银河系中心处,人马座A*就是一个黑洞。

 

科学家们判定黑洞,只是间接地从它对周边物体产生的效应,很难有直接证据。例如,2019年之前从来没有给它们拍过照片,为什么呢?都说眼见为实,看不见黑洞总能看见它周围围绕着的东西吧,有张照片也好啊!

 

给黑洞拍照很困难,主要原因是它们太小了!

 

我们能看见并看清楚物体,一是要接受到足够强的信号,二是要有足够大的视角。离得太远使得信号太弱;且物体也太小视角小无法分辨。黑洞吸收一切无亮度可言,信号强弱需考虑周边气体吸积盘的辐射。视角取决于距离及大小。例如,月球d=40万公里,直径3400公里,月面视角约0.5度。拿第一个恒星黑洞天鹅座-X1的数据来看看:距离6000光年,视界大小26公里,只有月面视角的10亿万分之一( 10-13 )。

 

表征黑洞大小的只有一个参数,就是它的视界,与质量成正比的史瓦西半径,超大质量黑洞的质量是太阳质量的105109倍,视界比恒星黑洞大多了。

 

因此人们将黑洞照的目标指向了超大黑洞:室女座中心的星系M87。这星系距离我们5500万光年,质量是太阳质量的65亿倍,特点是喷流特别长,喷流长度都有5000光年!


第一张黑洞照(视频)

 

尽管离得非常远,但与恒星黑洞比较,视角更大。因为距离几乎1万倍,但质量是万万倍,所以视角比天鹅座-X1大多了,但仍然只有月面视角的10亿分之一,0.000000002度,相当于从地球上给月亮上的一个橘子拍照!

 

望远镜接受的波长越短,口径越大,便有更小的角分辨率。M87黑洞是很强的1毫米左右无线电辐射源,使用接受1.3毫米波的射电望远镜。

 

为了达到高于0.000000002度的角分辨率,望远镜口径8000公里!地球上如何做出这么一个大铁锅?使用EHT!黑洞事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)是使用VLBI技术的虚拟望远镜。



EHT虚拟望远镜

 

让不同位置多个望远镜联合组成网络,同时观测一个天体。用地球上6个地点8台望远镜完成。整个EHT相当于口径为几千千米的望远镜。8个台站观测5天,两年处理数据,才成功地拍了这张照片!

 

·银河系中心的黑洞照片

 

512日,EHT公布了银河系中心的黑洞照片。

 

一张照片拍摄了3年,“洗”了5年!这是人们期待已久的、事件视界望远镜 (EHT)团队展示的,我们银河系中心的巨大黑洞,即人马座 A*的照片。从这个甜甜圈我们看到了些什么?

 

主要特征在预料之中。但并非所有现都与科学家预测的完全一样,有些令人惊奇的发现。

 

(左)M87的黑洞照片比较(右)银河系的黑洞照片

 

M87的黑洞照片十分类似,比较一下:1,银河系的黑洞比 M87*小一千多倍,质量也小一千多倍,视角大小相当。2,我们有两种完全不同类型的星系和两种截然不同的黑洞质量,但靠近这些黑洞的边缘,它们看起来惊人地相似。3,这一成就比 M87* 困难得多,尽管 Sgr A* 离我们更近。两个黑洞附近的气体以相同的速度移动(几乎和光一样快)。但是, M87* 大,气体需要数天到数周才绕行一圈,而在小得多的人马座 A* 中,它只需几分钟即完成一圈。这意味着 Sgr A* 周围气体的亮度和模式在观察期间会迅速变化。M87* 是一个更容易、更稳定的目标,几乎所有图像看起来都一样,但Sgr A* 黑洞的图像是不同图像的平均值。通过来自世界各地 80 个研究所的 300 多名研究人员的合作共同完成。Sgr A* 黑洞的图像是 EHT 合作从 2017 年观测中提取的数千张不同图像的平均值。平均图像保留常见特征,抑制了不常出现的特征。

 

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