证明黑洞存在的8大证据

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北京时间8月27日消息,在所有天文学概念中,黑洞也许是最奇异的一个。黑洞的密度极高,就连光线也无法逃脱,犹如一头黑暗恐怖的巨兽。由于一般的物理规律在黑洞中都不适用,黑洞仿佛是专为科幻小说而生的一样。然而,众多直接和间接证据表明,黑洞在宇宙中的的确确是存在的。

爱因斯坦的预言

黑洞是爱因斯坦广义相对论的必然结果。黑洞是爱因斯坦广义相对论的必然结果。

德国天文学家卡尔•史瓦西于1916年最早预言了黑洞的存在,认为这是爱因斯坦广义相对论的必然结果。换句话说,假如爱因斯坦的理论是正确的(所有证据都指向这一点),那么黑洞一定存在。罗杰•彭罗斯和史蒂芬•霍金的研究进一步巩固了黑洞存在的理论基础。其研究显示,任何天体坍缩成黑洞之后,都会形成一个奇点,且传统物理学定律在这一点上全部失灵。

伽马射线暴

地球上的观测设备已经探测到了一些在黑洞诞生过程中产生的伽马射线暴。地球上的观测设备已经探测到了一些在黑洞诞生过程中产生的伽马射线暴。

上世纪30年代,印度天体物理学家苏布拉马尼扬•钱德拉塞卡对恒星核燃料耗尽后的结局开展了研究。他发现,最终结果要取决于恒星的质量。如果恒星很大,比方说质量达到了太阳的20倍,恒星的致密内核(光是内核的质量便可高达太阳的两三倍)便会一直向内坍缩、直至变成一个黑洞。恒星内核的坍缩速度极快,前后不过短短几秒,期间会以伽马射线暴的形式释放出惊人的能量,相当于一颗普通恒星在漫长一生中释放出的能量总和。地球上的望远镜已经探测到了多次伽马射线暴,其中有些还是由数十亿光年外的星系发出的,说明我们真的观察到了黑洞诞生的过程。

引力波

图为艺术家绘制的引力波概念图。两个黑洞间的引力作用会形成时空涟漪,并以引力波的形式向外扩散。图为艺术家绘制的引力波概念图。两个黑洞间的引力作用会形成时空涟漪,并以引力波的形式向外扩散。

黑洞并非总是孑然一身,有时它们也会成对出现、围绕彼此旋转。两个黑洞间的引力作用会形成时空涟漪,并以引力波的形式向外扩散,这也是爱因斯坦相对论提出的预言之一。在LIGO和Virgo等天文台的帮助下,如今我们已经拥有了探测引力波的能力。2016年,科学家首次宣布发现了由两个黑洞合并产生的引力波。自此之后,我们又探测到了多次引力波事件。随着探测器敏感度不断提升,科学家还探测到了由除黑洞合并之外的其它事件产生的引力波,比如黑洞和中子星相撞等等。

隐形伴星

图为三星系统HR 6819中几个天体的轨道想象图。图为三星系统HR 6819中几个天体的轨道想象图。

能够产生伽马射线暴或引力波的都是短时间内发生的高能事件,也许半个宇宙之外都见得到。但考虑到它们的本质,大多数黑洞都是探测不到的。黑洞不会释放出任何光线或辐射,因此可以默默蛰伏在太空中,天文学家根本意识不到它们的存在。不过,有一种方法可以探测到它们的存在:利用黑洞对其它恒星造成的引力效应。2020年,天文学家在观察看似普通的双星系统HR 6819时,发现两颗恒星的运动轨迹有些古怪之处,除非该系统中还存在一个完全隐形的天体,才能解释这种现象。计算出它的质量之后,研究人员意识到真相只有一个:这个天体一定是个黑洞。它距离地球只有一千光年,就位于银河系之内,是迄今为止发现的距地球最近的黑洞。

X射线

黑洞Cygnus X-1正在吸食一旁的巨大蓝色伴星。黑洞Cygnus X-1正在吸食一旁的巨大蓝色伴星。

1971年,科学家在研究银河系中一个名叫Cygnus X-1的双恒星系统时,首次观察到了黑洞存在的证据。该系统产生的X射线极为明亮,但这些射线并非来自黑洞或是其可见伴星,而是由黑洞吸收恒星物质时形成的吸积盘产生。就像刚才提到的双星系统HR 6819一样,天文学家也可以利用那颗可见恒星的运动轨迹、估算出Cygnus X-1系统中隐形天体的质量。最终的计算结果约为太阳质量的21倍,再考虑到该天体所占的空间较小,说明它只能是一个黑洞,根本不用考虑其它可能性。

超大质量黑洞

银河系中央也有一个超大质量黑洞。银河系中央也有一个超大质量黑洞。

除了通过恒星坍缩形成的黑洞之外,有证据显示,星系中央也许还潜伏着一些数量高达太阳数百万倍、甚至数十亿倍的超大质量黑洞,并且它们也许从宇宙早期就开始存在了。在所谓的“活跃星系”中,这些超大质量黑洞存在的证据堪称壮观。NASA指出,这些星系中央的黑洞周围都有一圈吸积盘,会释放出极其强烈的、覆盖各个波段的辐射。银河系中央也有一个黑洞,因为我们观察到该区域恒星的旋转速度快得惊人,高达光速的8%,说明它们一定在围绕某个体积极小、但质量极大的天体旋转。目前的估测结果认为,银河系中央黑洞的质量约为太阳的400万倍。

“意大利面化”效应

还有一个证明黑洞存在的证据,叫做“意大利面化”效应。你可能会纳闷这是什么意思,但如果你有机会掉进黑洞里,一切就会不言自明了:在黑洞极强的引力拉拽下,你会被拉成细细的长条状,就像面条一样。虽然这种事不可能发生在你身上,但假如某颗恒星不慎离黑洞太近,这便是它的结局。2020年10月,天文学家果真观察到了一颗恒星被黑洞扯碎时发出的闪光。幸好,这起“悲剧”距我们足有2.15亿光年之遥。

黑洞的照片

人类直接拍摄的首张黑洞照片。人类直接拍摄的首张黑洞照片。

到目前为止,我们已经收集了许多黑洞存在的间接证据,包括辐射暴、引力波、以及对其它天体的动力学影响等等,这些都无法由已知的其它天体来解释。但在2019年4月,人类终于找到了板上钉钉的证据——事件视界望远镜直接拍摄到了M87星系中央超大质量黑洞的照片。这个望远镜的名字可能会造成一定误导,它其实是一个分散在世界各地的望远镜网络,而不是单独一台望远镜。NASA指出,参与拍摄的望远镜越多,能拍到的空间就越大,最终的图像质量也就越高。在最终拍到的照片中,我们可以清晰地看到一个质量为太阳65亿倍的黑洞呈现出的暗影、以及暗影周围发着橙色光芒的吸积盘。

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古之立大事者,不惟有超世之才,亦必有坚忍不拔之志。

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