九州体育登陆科技视界|人类认识黑洞的小小一

 公司新闻     |      2022-01-08 13:23

  黑洞,这个奥秘的天体终究和各人碰头了。“视界千里镜”(Event Horizon Telescope,以下简称“EHT”)团队,颁布发表捕获到了M87星系中间特大质量黑洞图象,终究让人们一睹黑洞的“芳容”。

  科学史上的 “打破”实在非常稀有,必需脚踏实地地说,首张黑洞照片只是我们熟悉黑洞的小小一步。

  当代天体物理中的黑洞,源自爱因斯坦广义相对论的推论,提醒了物理学中的极限。它是宇宙中最致密的天体,壮大的引力让光都没法从黑洞视界中逃逸。黑洞也是最能激起人类猎奇心和设想力的工具。好比人靠近黑洞会怎样?实际报告我们,他们会被拉伸、紧缩,阅历“面条化”(Spaghtti fication)。

  但是在明天的照片之前,没有哪位天文学家真正见过黑洞,我们获得了一些直接的证据,“听到”了一些声音,这些声音是数十亿年前黑洞碰撞发生的时空的波纹——引力波。为何黑洞这么难被发明,它又怎样被肯定存在?来看看科学家都发明了甚么。

  我们平常见到的所谓黑洞的图片,都是颠末艺术处置的图片。太空艺术或天文艺术,是科学可视化的展现,在科学教诲和科学提高方面起到主要感化。固然,天文艺术也不只云云,它们也是艺术的一种,有着本人更内在的表达。

  上面这两张照片可以明晰的看到宇宙中存在黑洞,不论实在的黑洞是甚么样,它们代表了我们心中黑洞的容貌。

  认定黑洞的存在颠末了科学史上冗长而迂回的历程,从18世纪提出的“暗星”,到广义相对论引力场方程的准确解,又阅历对恒星演变历程的研讨,到了20世纪90年月,人们才看到了黑洞存在的直接证据。

  今朝公认的恒星级质量的黑洞是由大质量恒星本身坍缩而构成的。当恒星的核燃料耗尽,也就是恒星抵达性命的止境时,它们会收缩,落空质量,然后冷却构成白矮星。可是这些火热的天体中较大的,好比9到25倍太阳质量的恒星,它们会跟着一场大爆炸——超新星发作而坍缩成中子星。假如质量再大一些,25个以上的太阳质量,它们会进而演变成黑洞。固然,这些数字也不是绝对的,凡是恒星质量级此外黑洞在3到100个太阳质量的区间。

  超新星发作会将恒星的物资抛向太空,只留下中心。原来恒星能够经由过程本身的核聚变发生连续向外的推力,以均衡恒星本身质量向内的引力。九州体育但发作后恒星的残骸不会再供给推力,但本身宏大的引力还在,就只能向内坍缩。当它连续坍缩,半径膨胀到史瓦西半径时,黑洞就降生了。如今科学家以为银河系中存在着不计其数个恒星质量级的黑洞,确认了20多个存在。

  史瓦西半径是任何具有质量的物资都存在的一个临界半径特性值。1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西经由过程计较获得了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,表白假如将大批物资集合于空间一点,其四周会发生奇特的征象,即在质点四周存在一个界面——变乱视界面,一旦进入界面,即便光也没法逃走。先人将其间隔称为史瓦西半径,并把上述天体四周史瓦西半径处的设想中的球面叫作视界。

  固然,假如以质量分别,黑洞另有其他几品种型,如超大质量黑洞(数百万倍太阳质量)和微型黑洞(实际上小于太阳质量)。科学家还不分明超大质量黑洞是怎样构成的,他们揣测是黑洞吸取了其四周的恒星和睦体云等逐步长大而成。关于细小型黑洞,天文学家以为多是在大爆炸后的晚期浑沌宇宙中构成的。

  看不见黑洞,其实不完整由于它是“黑”的。在此之前,我们实践上可以察看到的黑洞,是视界之外的部门。黑洞的质量险些都集合于最中间的“奇点”处,但仍有一个临界半径“视界面”,我们能看到视界面外的物资。但真正让我们看不到它的缘故原由是,即便是超大质量黑洞,对我们来讲也太小了!按《天然》杂志的说法,要一台比哈勃壮大1000倍的千里镜才气观察它。

  比云云次EHT团队察看银河系中间的人马座A*(Sgr A*)的质量相称于400万个太阳,它的视界面直径约为2400万千米,相称于17个太阳巨细,但是它间隔我们有2.5万光年远,实践对我们来讲十分细小。有许多比方来描述这一间隔,好比中科院国度天文台苟利军研讨员在科普文章中描述,“就像我们站在地球上寓目一枚放在月球外表的橙子”。

  另外一方面,因为黑洞的壮大引力,它常常被其他亮堂的物资包抄,这使得我们很好看到黑洞自己。这就是为何在寻觅黑洞时,天文学家凡是不会测验考试间接观察,他们要寻觅黑洞存在的直接证据,好比黑洞对其四周天体的感化和影响。

  美国亚利桑亚大学的天体物理学家Dimitrios Psaltis说,“我们凡是丈量恒星和睦体活动的轨道,这些恒星和睦体仿佛环绕着天空中十分暗的一‘点’扭转,然后我们丈量谁人暗点的质量。假如我们没能发明其他天体能像它那样质量云云之大、色彩云云之深,我们就会以为这是黑洞存在的有力证据。”

  天文学家还能经由过程黑洞四周的吸积盘和收回的喷流而肯定它的存在。当物资被黑洞吸取时,会沿着螺旋状的轨道接近黑洞,从而构成一个圆盘状的吸积盘。在被吸入黑洞的同时,它们还会沿着扭转轴的标的目的喷出高能粒子,也就是喷流。这些高强度的辐射能被地球上的千里镜捕捉到,从而认定黑洞的存在。

  黑洞的直接证据一:X射线年,美国国度航空航天局(NASA)发射了三颗卫星,它们构成了钱德拉塞卡X射线天文台(CXO)。这是以出名的美籍印裔物理学家钱德拉塞卡定名的千里镜,特地观察差别天体收回的X射线。关于黑洞存在的最好证据就来自这里。

  在黑洞的引力下,吸积盘内物资落入黑洞的速率极快,物资之间的磨擦使它被加热至数十亿度的高温,从而收回辐射,这些辐射就包罗有X射线。假如黑洞吸取的物资过量,喷流也会呈现发作。天文学家把这一个历程形象的称为“打嗝”——就像黑洞进食过程当中打了一个嗝。

  钱德拉塞卡天文台记载了一次出名的打嗝。两个间隔我们约莫2600万光年的星系NGC 5195和涡状星系NGC 5194,爆收回了激烈的X射线。这是一对出名的交互感化星系,天体物理学家以为此次X射线发作来自内里宏大的黑洞。

  与它们类似的是Arp 147,也是两个交互感化的环状星系。这张图象上的紫白色黑点是激烈的X射线辐射地区,被以为是当两个星系(蓝色是螺旋星系,粉白色环是椭圆星系)相撞时构成的黑洞。

  这张来自哈勃千里镜和甚大射电千里镜(VLA)数据分解的图片,显现了来自20亿光年外,有银河系质量1000倍巨细的武仙座A黑洞爆收回的喷流。这个看似一般的亮堂星系却有一个25亿太阳质量的黑洞,科学家经由过程VLA看到了它爆收回的喷流。喷流实践长短常高能的等离子束,只能经由过程射电千里镜察看到它的旌旗灯号。其爆收回的单边间隔就达150万光年,比拟之下星系自己在光学成像下就显得非常细微。