一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的藝術(shù)家插圖。漩渦狀的需知橙色線條環(huán)繞著中間的黑色圓圈。黑洞是黑洞上海外圍(外圍聯(lián)系方式)(電話微信189-4469-7302)全國(guó)1-2線熱門(mén)城市高端外圍預(yù)約快速安排90分鐘到達(dá)太空中最迷人的物體之一。(圖片來(lái)源:solarseven via Getty Images)
（神秘的需知地球uux.cn）據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)（By Daisy Dobrijevic, Nola Taylor Tillman）：黑洞是太空中一些最奇怪也最迷人的物體。它們密度極高，黑洞引力如此之大，需知以至于連光都無(wú)法逃脫它們的黑洞掌控。
銀河系可能包含超過(guò)1億個(gè)黑洞，需知盡管探測(cè)這些貪吃的黑洞野獸非常困難。銀河系的需知中心有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞——人馬座A*。根據(jù)美國(guó)宇航局的黑洞一份聲明，這個(gè)巨大的需知結(jié)構(gòu)大約是太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍，距離地球大約26，黑洞000光年。需知
2019年，黑洞視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)合作捕捉到了第一張黑洞圖像。距離地球5500萬(wàn)光年的M87星系中心的黑洞的驚人照片讓全世界的科學(xué)家興奮不已。
專家解答的黑洞常見(jiàn)問(wèn)題
我們問(wèn)了理論天體物理學(xué)家Priyamvada Natarajan一些關(guān)于黑洞的常見(jiàn)問(wèn)題。
普里亞姆瓦達(dá)·納塔拉詹理論天體物理學(xué)家耶魯大學(xué)天文系主任約瑟夫. s .和索菲婭. s .弗魯頓天文學(xué)教授和物理學(xué)教授。
黑洞是如何形成的？
黑洞預(yù)計(jì)通過(guò)兩種不同的渠道形成。根據(jù)第一種途徑，它們是恒星尸體，所以它們是在大質(zhì)量恒星死亡時(shí)形成的。出生時(shí)質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的8到10倍以上的恒星，當(dāng)它們耗盡所有的燃料——?dú)鋾r(shí)，它們會(huì)爆炸并死亡，留下一個(gè)非常致密的物體，即黑洞。留下的黑洞被稱為恒星質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的幾倍。
不是所有的恒星都會(huì)留下黑洞，出生質(zhì)量較低的恒星會(huì)留下中子星或白矮星。黑洞形成的上海外圍(外圍聯(lián)系方式)(電話微信189-4469-7302)全國(guó)1-2線熱門(mén)城市高端外圍預(yù)約快速安排90分鐘到達(dá)另一種方式是氣體的直接坍縮，這一過(guò)程預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生更多質(zhì)量更大的黑洞，質(zhì)量從太陽(yáng)質(zhì)量的1000倍到太陽(yáng)質(zhì)量的10萬(wàn)倍不等。這個(gè)通道繞過(guò)了傳統(tǒng)恒星的形成，被認(rèn)為在宇宙早期運(yùn)行，產(chǎn)生了更多的大質(zhì)量黑洞種子。
誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了黑洞？
黑洞被預(yù)言為愛(ài)因斯坦方程的精確數(shù)學(xué)解。愛(ài)因斯坦的方程式描述了物質(zhì)周?chē)目臻g形狀。廣義相對(duì)論將幾何或形狀與物質(zhì)的詳細(xì)分布聯(lián)系起來(lái)。
卡爾·史瓦西在1915年發(fā)現(xiàn)了黑洞的解決方案，這些區(qū)域——黑洞——被發(fā)現(xiàn)會(huì)極大地扭曲空間，并在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一個(gè)穿孔。當(dāng)時(shí)還不清楚這些是否對(duì)應(yīng)于宇宙中的真實(shí)物體。隨著時(shí)間的推移，隨著恒星死亡的其他最終產(chǎn)物被探測(cè)到，也就是被視為脈沖星的中子星，黑洞是真實(shí)存在的，并且應(yīng)該存在，這一點(diǎn)變得越來(lái)越清楚。第一個(gè)被探測(cè)到的黑洞是天鵝座-X1。
黑洞會(huì)死嗎？
黑洞本身不會(huì)死亡，但理論上預(yù)計(jì)它們最終會(huì)在極長(zhǎng)的時(shí)間尺度內(nèi)慢慢蒸發(fā)。
黑洞是通過(guò)附近被巨大引力吸引的物質(zhì)的增長(zhǎng)而成長(zhǎng)的。霍金預(yù)測(cè)，黑洞也可以輻射出能量，并非常緩慢地收縮。量子理論表明，虛粒子無(wú)時(shí)無(wú)刻不在出現(xiàn)和消失。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，一個(gè)粒子和它的同伴反粒子出現(xiàn)了。然而，它們也可以重組并再次消失。當(dāng)這個(gè)過(guò)程發(fā)生在黑洞視界附近時(shí)，奇怪的事情就會(huì)發(fā)生。而不是粒子反粒子對(duì)存在一會(huì)兒，然后互相湮滅，其中一個(gè)可以通過(guò)重力進(jìn)入黑洞，而另一個(gè)粒子可以飛向太空。在很長(zhǎng)的時(shí)間尺度上，我們談?wù)摰臅r(shí)間尺度比我們宇宙的年齡長(zhǎng)得多，理論表明這種逃逸粒子的涓涓細(xì)流將導(dǎo)致黑洞慢慢蒸發(fā)。
黑洞是蟲(chóng)洞嗎？
不，黑洞不是蟲(chóng)洞。蟲(chóng)洞可以被認(rèn)為是連接時(shí)空兩個(gè)分離點(diǎn)的隧道。據(jù)信，黑洞的內(nèi)部可能包含一個(gè)蟲(chóng)洞，這個(gè)洞就是時(shí)空，它可能提供一個(gè)通往時(shí)空中另一點(diǎn)的入口，甚至可能在一個(gè)不同的宇宙中。
首次發(fā)現(xiàn)黑洞
阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在1916年用他的廣義相對(duì)論首次預(yù)言了黑洞的存在。多年以后，美國(guó)天文學(xué)家約翰·惠勒在1967年創(chuàng)造了“黑洞”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。幾十年來(lái)黑洞只被認(rèn)為是理論上的物體。
第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的黑洞是天鵝座X-1，位于銀河系內(nèi)的天鵝座。根據(jù)美國(guó)宇航局的說(shuō)法，天文學(xué)家在1964年發(fā)現(xiàn)了黑洞的第一個(gè)跡象，當(dāng)時(shí)一枚探測(cè)火箭探測(cè)到了X射線的天體來(lái)源。1971年，天文學(xué)家確定X射線來(lái)自一顆明亮的藍(lán)星，它圍繞著一個(gè)奇怪的黑暗物體運(yùn)行。有人認(rèn)為，探測(cè)到的X射線是恒星物質(zhì)被明亮的恒星剝離并被黑暗物體“吞噬”的結(jié)果，黑暗物體是一個(gè)吞噬一切的黑洞。
有多少黑洞？
一張深空影像顯示，在影像中心有一個(gè)微弱的藍(lán)色X射線源，表明人馬座A*的存在。銀河系中心存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞人馬座A* (Sgr A*)。(圖片來(lái)源:NASA/UMass/D.Wang等人，IR: NASA/STScI)
根據(jù)太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所(STScI)的數(shù)據(jù)，每一千顆恒星中大約有一顆質(zhì)量足以成為黑洞。由于銀河系包含超過(guò)1000億個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我們的家庭星系一定隱藏著大約1億個(gè)黑洞。
雖然探測(cè)黑洞是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但美國(guó)宇航局的估計(jì)表明，銀河系中可能有多達(dá)1000萬(wàn)到10億個(gè)恒星黑洞。
距離地球最近的黑洞被稱為“獨(dú)角獸”，大約位于1500光年之外。這個(gè)昵稱有雙重含義。黑洞候選體不僅位于麒麟星座(“獨(dú)角獸”)，其難以置信的低質(zhì)量——大約是太陽(yáng)的三倍——使它幾乎是獨(dú)一無(wú)二的。
黑洞圖像
圍繞黑色圓圈的橙色發(fā)光環(huán)。事件視界望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)由八個(gè)地面射電望遠(yuǎn)鏡組成的行星級(jí)陣列，通過(guò)國(guó)際合作打造，捕捉到了這張M87星系中心超大質(zhì)量黑洞及其陰影的圖像。(圖片鳴謝:EHT協(xié)作)
2019年，視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)合作發(fā)布了有史以來(lái)第一張記錄黑洞的圖像。EHT在M87星系中心看到了黑洞，當(dāng)時(shí)望遠(yuǎn)鏡正在檢查活動(dòng)視界或任何東西都無(wú)法逃離黑洞的區(qū)域。該圖像描繪了光子(光粒子)的突然損失。這也打開(kāi)了黑洞研究的一個(gè)全新領(lǐng)域，現(xiàn)在天文學(xué)家知道了黑洞的樣子。
2021年，天文學(xué)家展示了M87中心巨型黑洞的新視圖，展示了這個(gè)巨大結(jié)構(gòu)在偏振光下的樣子。由于偏振光波與非偏振光相比具有不同的方向和亮度，新圖像顯示了黑洞的更多細(xì)節(jié)。極化是磁場(chǎng)的一個(gè)特征，這幅圖像清楚地表明黑洞的環(huán)被磁化了。
橙色發(fā)光環(huán)，周?chē)呛谏珗A圈，內(nèi)部有光線。繼2019年第一張黑洞圖像發(fā)布后，天文學(xué)家捕捉到了黑洞的新偏振視圖。(圖片鳴謝:EHT協(xié)作)
2022年5月，科學(xué)家們展示了銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的歷史首張圖像——速騰A*。
黑洞是什么樣子的？
黑洞有三個(gè)“層”:外部和內(nèi)部事件視界，以及奇點(diǎn)。
黑洞的視界是黑洞口周?chē)倪吔纾獠荒茉竭^(guò)它。一旦一個(gè)粒子穿過(guò)視界，它就不能離開(kāi)。引力在整個(gè)視界中是不變的。
物體質(zhì)量所在的黑洞內(nèi)部區(qū)域被稱為奇點(diǎn)，即黑洞質(zhì)量集中的時(shí)空單點(diǎn)。
科學(xué)家們不能像觀察眼冒金星和太空中的其他物體那樣觀察黑洞。相反，天文學(xué)家必須依靠探測(cè)黑洞在塵埃和氣體被吸入致密生物時(shí)發(fā)出的輻射。但是，位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞可能會(huì)被周?chē)窈竦膲m埃和氣體所覆蓋，從而阻止泄露信號(hào)的發(fā)射。
有時(shí)，當(dāng)物質(zhì)被吸向黑洞時(shí)，它會(huì)從視界反彈出去，并被拋出去，而不是被拖入黑洞。明亮的物質(zhì)噴流以接近相對(duì)論的速度行進(jìn)。雖然黑洞仍然看不見(jiàn)，但這些強(qiáng)大的噴流可以從很遠(yuǎn)的地方看到。
EHT的M87黑洞圖像(2019年發(fā)布)是一項(xiàng)非凡的努力，即使在圖像拍攝后也需要兩年的研究。這是因?yàn)楸椴既蛟S多天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡合作產(chǎn)生了驚人的數(shù)據(jù)量，這些數(shù)據(jù)量太大，無(wú)法通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸。
隨著時(shí)間的推移，研究人員希望對(duì)其他黑洞進(jìn)行成像，并建立一個(gè)關(guān)于這些物體外觀的知識(shí)庫(kù)。下一個(gè)目標(biāo)很可能是人馬座A*，它是我們銀河系中心的黑洞。2019年的一項(xiàng)研究報(bào)告稱，人馬座A*非常有趣，因?yàn)樗阮A(yù)期的更安靜，這可能是因?yàn)榇艌?chǎng)抑制了它的活動(dòng)。那年的另一項(xiàng)研究表明，人馬座A*周?chē)幸粋€(gè)冷氣體暈，這讓人們對(duì)黑洞周?chē)沫h(huán)境有了前所未有的了解。
圖示顯示了黑洞的各個(gè)層次，包括吸積盤(pán)、事件視界、相對(duì)論噴流、奇點(diǎn)、光子球和最內(nèi)部的穩(wěn)定軌道。ESO的黑洞解剖圖顯示了黑洞的樣子，并標(biāo)明了不同的組成部分。(圖片鳴謝:ESO)
黑洞的類型
到目前為止，天文學(xué)家已經(jīng)確定了三種類型的黑洞:恒星黑洞、超大質(zhì)量黑洞和中間黑洞。
恒星黑洞——雖小卻致命
當(dāng)一顆恒星燃盡最后一點(diǎn)燃料時(shí)，這個(gè)物體可能會(huì)坍縮，或者墜入自身。對(duì)于較小的恒星(質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)的三倍左右)，新的核心將成為中子星或白矮星。但是當(dāng)一顆更大的恒星坍縮時(shí)，它會(huì)繼續(xù)壓縮并產(chǎn)生一個(gè)恒星黑洞。
由單個(gè)恒星坍塌形成的黑洞相對(duì)較小，但密度驚人。其中一個(gè)天體的直徑是太陽(yáng)質(zhì)量的三倍多。這導(dǎo)致了一個(gè)瘋狂的引力吸引著物體周?chē)奈矬w。恒星黑洞然后消耗來(lái)自周?chē)窍档膲m埃和氣體，這使它們的尺寸不斷增長(zhǎng)。
超大質(zhì)量黑洞——巨人的誕生
小型黑洞遍布宇宙，但它們的近親超大質(zhì)量黑洞占據(jù)主導(dǎo)地位。這些巨大的黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)倍甚至數(shù)十億倍，但直徑卻幾乎相同。這種黑洞被認(rèn)為位于幾乎每個(gè)星系的中心，包括銀河系。
科學(xué)家不確定如此大的黑洞是如何產(chǎn)生的。一旦這些巨行星形成，它們就會(huì)從周?chē)膲m埃和氣體中聚集質(zhì)量，這些物質(zhì)在星系的中心非常豐富，這使得它們可以增長(zhǎng)到更大的尺寸。
超大質(zhì)量黑洞可能是成百上千個(gè)微小黑洞合并的結(jié)果。大型氣體云也可能是原因之一，它們一起坍塌并迅速增大質(zhì)量。第三種選擇是星團(tuán)的崩潰，一群恒星一起墜落。第四，超大質(zhì)量黑洞可能來(lái)自大團(tuán)暗物質(zhì)。這是一種我們可以通過(guò)它對(duì)其他物體的引力作用來(lái)觀察的物質(zhì)；然而，我們不知道暗物質(zhì)是由什么組成的，因?yàn)樗话l(fā)光，無(wú)法直接觀察到。
中間黑洞
科學(xué)家們?cè)?jīng)認(rèn)為黑洞只有小和大兩種尺寸，但研究揭示了中型或中間黑洞(IMBHs)存在的可能性。當(dāng)星團(tuán)中的恒星以連鎖反應(yīng)碰撞時(shí)，就可能形成這樣的天體。在同一個(gè)區(qū)域形成的幾個(gè)IMBHs最終可能會(huì)一起墜落在星系中心，形成一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。
2014年，天文學(xué)家在一個(gè)螺旋星系的臂中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)似乎是中等質(zhì)量的黑洞。2021年，天文學(xué)家利用一次古老的伽馬射線爆發(fā)探測(cè)到了一個(gè)。
“天文學(xué)家一直在努力尋找這些中等大小的黑洞，”該研究的合著者，英國(guó)杜倫大學(xué)的蒂姆·羅伯茨在一份聲明中說(shuō)。“有跡象表明它們的存在，但I(xiàn)MBHs一直表現(xiàn)得像一個(gè)失散多年的親戚，對(duì)被找到不感興趣。”
2018年的研究表明，這些IMBHs可能存在于矮星系(或非常小的星系)的中心。對(duì)10個(gè)這樣的星系(其中五個(gè)在最近的調(diào)查之前是未知的)的觀察揭示了X射線活動(dòng)——在黑洞中很常見(jiàn)——表明存在36，000到316，000太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。這些信息來(lái)自斯隆數(shù)字巡天，它檢查了大約100萬(wàn)個(gè)星系，可以檢測(cè)到經(jīng)常觀察到的來(lái)自黑洞的光，這些黑洞正在收集附近的碎片。
二元黑洞:雙重麻煩
圖解顯示了一個(gè)巨大的黑色圓形空洞-一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，左邊有一個(gè)較小的黑色圓圈-一個(gè)伴星黑洞。一個(gè)超大質(zhì)量黑洞和一個(gè)環(huán)繞它運(yùn)行的伴黑洞的藝術(shù)家插圖。(圖片來(lái)源:加州理工學(xué)院IPAC分校)
2015年，天文學(xué)家利用激光干涉儀引力波天文臺(tái)(LIGO)探測(cè)到來(lái)自恒星黑洞合并的引力波。
“我們進(jìn)一步證實(shí)了大于20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星質(zhì)量黑洞的存在——在LIGO探測(cè)到它們之前，我們不知道這些物體的存在，”LIGO科學(xué)合作組織(LSC)的發(fā)言人舒德偉在一份聲明中說(shuō)。LIGO的觀察也提供了對(duì)黑洞旋轉(zhuǎn)方向的洞察。當(dāng)兩個(gè)黑洞互相環(huán)繞時(shí)，它們可以同向或反向旋轉(zhuǎn)。
關(guān)于二元黑洞是如何形成的，有兩種理論。第一種說(shuō)法認(rèn)為，這兩個(gè)黑洞在大約同一時(shí)間以雙星的形式出現(xiàn)，它們來(lái)自兩顆誕生在一起并在大約同一時(shí)間爆炸死亡的恒星。伴星會(huì)有相同的自旋方向，所以留下的兩個(gè)黑洞也會(huì)如此。
在第二個(gè)模型中，恒星團(tuán)中的黑洞下沉到星團(tuán)的中心并配對(duì)。根據(jù)LIGO科學(xué)合作組織的說(shuō)法，這些同伴相互之間會(huì)有隨機(jī)的自旋方向。LIGO對(duì)具有不同自旋取向的伴黑洞的觀察為這一形成理論提供了更有力的證據(jù)。
“我們開(kāi)始收集關(guān)于二元黑洞系統(tǒng)的真實(shí)數(shù)據(jù)，”加州理工學(xué)院的LIGO科學(xué)家Keita Kawabe說(shuō)，他在LIGO漢福德天文臺(tái)工作。“這很有趣，因?yàn)榧词故乾F(xiàn)在，一些黑洞雙星形成的模型也比其他模型更受青睞，在未來(lái)，我們可以進(jìn)一步縮小范圍。”
黑洞事實(shí)
1.如果你掉進(jìn)一個(gè)黑洞，理論一直認(rèn)為重力會(huì)像意大利面條一樣把你拉長(zhǎng)，盡管你會(huì)在到達(dá)奇點(diǎn)之前死亡。但2012年發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究表明，量子效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致事件視界像一堵火墻一樣，會(huì)立即將你燒死。
2.黑洞不吸。吸力是由把東西拉進(jìn)真空引起的，而大質(zhì)量黑洞肯定不是。相反，物體會(huì)像它們向任何施加重力的物體(比如地球)墜落一樣落入其中。
3.第一個(gè)被認(rèn)為是黑洞的物體是天鵝座X-1。天鵝座X-1是1974年斯蒂芬·霍金和他的物理學(xué)家同事基普·索恩友好打賭的主題，霍金打賭該源不是黑洞。1990年，霍金承認(rèn)失敗。
4.微型黑洞可能在大爆炸后立即形成。快速膨脹的空間可能已經(jīng)將一些區(qū)域擠壓成微小、致密的黑洞，其質(zhì)量不及太陽(yáng)。
5.如果一顆恒星離黑洞太近，它就會(huì)被撕裂。
6.天文學(xué)家估計(jì)，銀河系有1000萬(wàn)到10億個(gè)恒星黑洞，質(zhì)量大約是太陽(yáng)的三倍。
7.黑洞仍然是科幻書(shū)籍和電影的絕佳素材。看看電影《星際穿越》吧，它在很大程度上依賴索恩將科學(xué)融入其中。索恩與電影特效團(tuán)隊(duì)的合作使科學(xué)家們更好地理解了當(dāng)在快速旋轉(zhuǎn)的黑洞附近觀察時(shí)，遙遠(yuǎn)的恒星可能會(huì)出現(xiàn)的情況。