黑洞竟然也有「心跳」？探尋夜空中暗藏的節律

2020-08-15 北京科學中心

2019年4月10日，第一張黑洞照片公布，人類第一次直觀地觀察黑洞。「上鏡」的是一顆超大質量黑洞，位於位於橢圓星系M87核心，約70億倍太陽質量。

人類第一張黑洞照片,從上到下依次為背景-特寫-黑洞

這張照片是根據EHT（事件視界望遠鏡）於2017年4月連續10天的觀測數據，經過2年的數據處理，發布的第一張黑洞的直接影像。由於觀測是由EHT使用肉眼看不見的電磁波進行，因此圖像的顏色是假色。


早在2007年，科學家們利用歐洲宇航局的「XMM-牛頓」衛星，首次發現命名為「RE J1034+396」的黑洞，其X射線輻射具有一小時左右的周期性震蕩信號。後因觀測路徑被太陽阻隔，信號中斷。


時隔11年後的2018年，科學家們使用「XMM-牛頓」衛星、「核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）」衛星和「雨燕（Swift）」衛星，再次對此黑洞開展聯合觀測，發現其X射線震蕩信號仍然存在，而且比以前更強了。


科學家將這個震蕩信號形象的稱作黑洞的「心跳」，是黑洞觀測的有效手段。


黑洞為什麼有「心跳」？

黑洞的「心跳」和我們理解的心跳完全是兩回事。


黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡後，發生引力坍縮產生的。黑洞的引力很大，大到連光都無法逃脫。強大的引力無時無刻在吸引周圍的物質向黑洞靠近，最終被黑洞吸收。

黑洞的形成

來源｜Pinterest

知道為什麼叫黑洞了嗎(來源:NASA Goddard Media Studios)

物質在逐漸落入黑洞的過程中，會形成一個圓盤狀的結構（吸積盤），並在黑洞周圍很小的空間裡釋放大量的能量，同時伴有節奏性及周期性震蕩信號，就仿佛是心跳一樣。

黑洞的「心跳」 實質是黑洞外圍產生的有規律的高能輻射 來源:Global Science


黑洞的「心跳」，攜帶有關於黑洞視界附近的物質尺度和結構等關鍵信息，有助於科學家了解其體積大小，以及其周圍空間的更多信息。


如何觀測黑洞

既然黑洞是一種引力極其強大的天體，連光線都不能逃逸，又不發射任何電磁波，如何觀察呢？


我們先來看看黑洞的構造。

黑洞結構，黑洞本身就是一個奇點 來源:博科園


目前，黑洞本身是不可直接觀測，但是科學家可以通過觀察黑洞周圍的天體來判斷黑洞的存在。


一般而言，通過各種波段的Ｘ光、紅外線和無線電波，來進行「噴流」的觀察；而「吸積盤」的觀察，則通過Ｘ光、紫外線和可見光。


透過不同波段的光線所攜帶的信息，可以讓科學家研究黑洞的系統，現在科學家們使用「多波段的望遠鏡」來進行黑洞觀測。黑洞「心跳」的觀察，就屬於間接觀察黑洞的手段之一。


由於黑洞引力很大，科學家還可以通過黑洞與周圍環境的引力相互作用來推斷黑洞的存在。廣義相對論認為宇宙空間、時間和引力存在相互作用，像黑洞這樣大質量天體能夠扭曲其周圍的空間，影響周圍恆星的運行軌跡。

黑洞影響範圍內的恆星圍繞黑洞旋轉 來源:INAF


如果黑洞和某顆恆星構成雙星系統，在黑洞引力作用下，恆星的氣團不斷流入黑洞，驟然激起的高溫會導致多種波段的射線產生，此時，科學家可以通過對恆星運行軌跡和吸積盤的觀察間接發現黑洞存在。

雙星系統 恆星圍繞黑洞運行，恆星物質流向黑洞 來源:Wikipedia


最終，恆星消失，恆星物質環繞黑洞。2019年4月發布的第一張黑洞照片，顯示的就是這一現象。


如果兩個黑洞構成雙星系統，那麼這兩個黑洞將在「相親相殺」中最終融合成一個新的黑洞，黑洞的合併會發射強烈的引力波，可以作為科學家判斷黑洞存在的證據。


2015年9月14日，科學家在LIGO引力波天文臺首次成功直接觀測了引力波，此次觀測也為黑洞雙星的存在提供了第一個觀測證據。


黑洞撞擊融合，激起引力波 來源:pinterest


新的黑洞會因後坐力脫離原本在星系核心的位置。如果速度夠快，它甚至有可能脫離星系母體。

黑洞碰撞模擬 來源:LIGO Lab


觀察黑洞對理論物理的發展具有極大的推動作用。按照概率推算，過去100億年，銀河系應該誕生100萬個恆星級黑洞，但已經被發現的黑洞數量僅為兩位數。


隨著科學技術的發展，觀察儀器設備的提升，越來越多的黑洞將會被發現，你有沒有想去發現一個呢？

相關焦點

  • 科學家觀測到持續10年的「超級黑洞心跳」
    研究中取得了新的突破，他們發現了迄今持續最久的超大質量黑洞的「心跳」。據了解，這個特殊的黑洞是一個距離地球6億光年，具有200萬個太陽質量的超大質量黑洞。研究人員通過在2007年和2018年兩個階段對其進行觀測，發現了這個超大質量黑洞的X射線準周期振蕩信號，也就是黑洞的「心跳」。相隔10年之久，它的「心跳」依然存在，其信號甚至比10年前更強。這是目前科學家們觀測到的超大質量黑洞心跳信號的最長持續時間。
  • 科學家發現迄今持續最久的超大質量黑洞心跳
    十幾年前，天文學家首先從超大質量黑洞「黑洞的心跳」中發現了X射線準周期振蕩信號。十多年後，當天文學家再次有機會觀察黑洞時，他發現信號仍在繼續，該研究工作由美國國家天文臺高能天體物理學小組領導，合作者包括達勒姆大學的研究團隊。
  • 《科學》:腸道吸收脂肪的晝夜節律竟然是由腸道微生物設定
    ，食物代謝、脂質吸收的晝夜節律竟然是由腸道微生物來設定的！ 代謝過程相關基因表達的節律是如何產生的？其中的關鍵點在於染色質的組蛋白修飾[2,3]。而研究人員進行的小鼠實驗表明，在普通小鼠的小腸上皮細胞中，兩個組蛋白乙醯化標誌物和小鼠表現出同步的晝夜節律。而在無菌小鼠中，雖然兩個標誌物的水平也有高低波動，但晝夜節律的幅度降低，且峰值不像普通小鼠一樣固定。
  • 中國觀測到超大質量黑洞的心跳，宇宙是生命體嗎？
    ，發現這個「黑洞的心跳」信號仍在持續並更強。周期性重複的高能輻射信號被稱為黑洞的「心跳」，但在科學家的觀測中，黑洞的「心跳」極少被發現。論文合作者之一的克裡斯·多恩說：「我們目前的理解是這種『心跳』信號源自黑洞視界附近高溫物質的周期性結構變化過程。通過與GRS 1915+105這個位於銀河系內部的小質量黑洞的對比，證明了雖然不同類型的黑洞質量差別可達數十萬倍以上，但它們在一些特殊行為的表現方面卻非常類似」。
  • 國家天文臺團隊發現迄今持續最久超大黑洞「心跳」
    瀏覽器版本過低，暫不支持視頻播放近日，由國家天文臺主導的科研團隊在黑洞研究中取得新的突破，發現了迄今持續最久的超大質量黑洞的「心跳」。據了解，這個特殊的黑洞是一個距離地球6億光年，具有2百萬個太陽質量的超大質量黑洞。研究人員通過在2007年和2018年兩個階段對其進行觀測，發現這個超大質量黑洞的X射線準周期震蕩信號，也就是「黑洞的心跳」，在相隔10年之久後仍然存在，並且現在信號比10年前更強。這也是目前觀測到的超大質量黑洞心跳信號的最長持續時間。
  • 假如掉入黑洞是怎樣的體驗?
    就在今天，各大媒體都報導了一篇新聞，說的是我國科研人員與英國合作者共同觀測到了來自一個超大質量黑洞的「心跳」-X射線準周期信號，這一現象有益於我們深入研究其物理機制和起源。在掉進黑洞前30分鐘，你已經成功接近了黑洞的邊緣，隨後會看到一層光子，正沿黑洞表面緩緩移動，並在外圍形成了一個球狀殼層，這就是黑洞的光層，在穿過刺眼的光層後，你將完全置身於黑暗之中。在掉入黑洞前10分鐘，你終於意識到了事情的嚴重性，急切的想要逃離它的引力，卻發現為時已晚，因為你已經到達了連光都無法逃離的分界點-事件視界（它的概念後面有提到哦）。進入這裡之後，你的意識逐漸變得模糊。
  • 太空中的心跳：科學家發現的神秘同步中閃爍的宇宙氣雲
    「心跳」。科學家發現了一個看似不起眼的宇宙氣雲發出的神秘伽馬射線心跳。西班牙空間科學研究所（IEEC-CSIC）的DESY Humboldt研究員Jian Li和ICREA教授Diego F. Torres領導的小組進一步研究表明，天鷹座中的雲團正在與鄰近的黑洞的節奏同步地脈動，暗示兩個對象之間的連接。
  • 電影《大大噠》發布插曲《夜空中最亮的星》MV
    原標題：電影《大大噠》發布插曲《夜空中最亮的星》MV 近日，定檔5月24日的馬來西亞票房冠軍電影《大大噠》發布電影插曲——《夜空中最亮的星》MV，熟悉的旋律、感性十足的歌詞搭配電影中的種種畫面，唱出小胖妞林滿月從小透明主播到減肥成功化身網紅女神的艱辛之路，
  • 「旋轉木馬」上的蛋白質:晝夜節律和生理節律的連接點
    如今，有研究（發表於《Science》）從分子原子層面，掀開了生理節律機制神秘面紗的一角。科學家們已經證明，地球每天的自轉周期（20小時）被「編碼」進了KaiC蛋白的原子層面結構。KaiC是藍藻中的一種蛋白質，直徑大小為10nm。該研究對於深入理解有關生物鐘學的一個關鍵性問題：生物鐘的生理節律是如何決定的？
  • 黑洞遙控點亮100光年外雲塊：中國科學家發現神秘「心跳」
    宇宙中的「粒子加速器」類星體是1960年代的四大天文發現之一，它的尺度遠小於星系，亮度卻奇大無比。後來，科學家們發現類星體的中心通常是一個質量動輒達到數百倍太陽的超大質量黑洞，在吞噬周圍物質的過程中形成高能噴流。
  • 黑洞遙控點亮100光年外雲塊:中國科學家發現神秘「心跳」
    宇宙中的「粒子加速器」類星體是1960年代的四大天文發現之一，它的尺度遠小於星系，亮度卻奇大無比。後來，科學家們發現類星體的中心通常是一個質量動輒達到數百倍太陽的超大質量黑洞，在吞噬周圍物質的過程中形成高能噴流。而微類星體顧名思義，是微縮版本的類星體。
  • 夜空中最暗的星——黑洞，靠近它會發生什麼？
    「日月之行，若出其中，星漢燦爛，若出其裡」，這是曹操在《觀滄海》中對天上的日月星辰所作的感嘆。可夜空中的星星雖然數不勝數，但你有沒有想過，在那些燦爛之處，是否暗藏著某些不會發光的星呢？但如果內核質量超過三倍太陽質量，這個縮小過程就不會停止了，因為內核會在縮小的過程中，它的尺寸會小於史瓦西半徑，也就是說這時候的內核將會朝著一個點收縮，最後形成所謂的奇點，於是我們就以史瓦西半徑為天體尺寸，將其稱為黑洞（文章中涉及的黑洞全部為史瓦西黑洞）
  • 心臟也有生物鐘
    受運動、心情、生理等因素影響，心跳也有晝夜節律，一般夜間每分鐘跳動次數少於白天。近日，英國曼徹斯特大學在《心率學》雜誌上發表新研究，找到了夜晚心跳變慢的主要原因，發現心臟也有「生物鐘」。長期以來，迷走神經被認為是導致夜間機體心率變慢的主要原因。迷走神經是心臟自主神經系統中的一種，遍及包括心臟在內多種臟器。研究人員首先對小白鼠進行對比實驗，發現小鼠的平均心率晝夜差異與運動無關。
  • 《大大噠》發布插曲mv《夜空中最亮的星》
    近日，定檔5月24日的馬來西亞票房冠軍電影《大大噠》發布電影插曲——《夜空中最亮的星》MV，熟悉的旋律、感性十足的歌詞搭配電影中的種種畫面，唱出小胖妞林滿月從小透明主播到減肥成功化身網紅女神的艱辛之路，搭配神態各異的閨蜜四人組海報，完美傳達電影中的溫暖友情，更讓網友為之動容。
  • 心跳快慢和壽命有關係?心跳的慢,壽命就長?有沒有科學依據?
    不知道大家有沒有聽過這樣一種說法，就是說：人這一輩子，心跳的次數是固定的，如果心跳太快，就會先將心跳次數用完，壽命會比較短，而心跳慢的人則更容易長壽。聽到這樣的說法之後，不少人默默地對自己的心率進行了測量，那麼「心跳慢壽命就長」的說法有科學依據嗎？
  • 奇怪的伽馬射線心跳讓科學家迷惑不解
    黑洞如何為雲層的伽馬射線心跳提供大約100光年的力量，仍然是個謎。這個被編稱為SS 433的系統位於銀河系中大約15000光年的地方，由一顆質量約為太陽30倍的巨型恆星和一個黑洞組成，質量約為10到20個太陽質量。這兩個物體在13天之間相互環繞，而黑洞則從這顆巨大的恆星中吸出物質。
  • 宇宙中最大黑洞被發現,距離地球有25億光年,竟然是雙黑洞系統!
    宇宙中最大黑洞被發現，距離地球有25億光年，竟然是雙黑洞系統當人類還未走出地球的時候，沒有意識到自己是多麼渺小。我們只知道在宇宙中有無數個星系和天體，它們是神奇的，在它們之中還有很多神秘的天體是我們吃不透的，比如脈衝星、中子星以及黑洞。在這些神秘又令人感到危險的天體中，最讓我們感到好奇的天體就是黑洞了，黑洞就像是宇宙中一個還沒有來得及修補的「漏洞」，而這個「漏洞」的存在讓整個宇宙都變得更加神秘。
  • 科普:「事件視界」和「事件視界望遠鏡」——探尋黑洞的蛛絲馬跡
    新華社北京4月10日電（記者郭爽）在黑洞周圍，光線不能逃脫的臨界範圍被稱為黑洞的半徑或「事件視界」。對這個特殊區域，人類動用口徑相當於地球直徑的「虛擬望遠鏡」，探尋黑洞留下的種種「蛛絲馬跡」。根據著名理論物理學家霍金的理論，黑洞「事件視界」並非「有去無來」的單行車道。儘管物體一旦被吸入黑洞就會永遠消失，但如果經過數十億年的時間，黑洞可能會「滲出」一些被吸入物質的蛛絲馬跡。由於黑洞非常遙遠且半徑很小，以往設施沒有足夠的解析度來直接觀測黑洞，而是用觀察周圍恆星運動、吸積盤和噴流乃至引力波等間接方法來進行探測。
  • 晝夜節律竟然存在性別差異
    為了適應地球自轉規律，許多動植物進化出了相適應的形態學，生理學特徵，其中最廣為人知的莫過於晝夜節律（circadian rhythm）。晝夜節律是指生命活動以24小時左右為周期的變動。例如發光菌的發光，植物的光合作用，動物的攝食，軀體活動，睡眠和覺醒等行為都屬於晝夜節律。來自緬因大學的研究者Jeffrey C.
  • 黑洞也有種類——宇宙中的三種黑洞!
    11.2千米，秒的速度，就是一個物體從地球引力場中逃出去必須具備的最低速度，人們管它叫地球的逃逸速度。太陽的引力比地球的強多了，太陽的逃逸速度理所當然比地球的大得多，得618千米，秒。如果一個天體的逃逸速度達到或者超過了光速，那麼連光也沒本事逃得出去。這樣的天體就是黑洞，就是拉普拉斯說的那個天體。曾經有人問了這樣一個問題：如果用一盞威力巨大的探照燈往黑洞裡照，能不能看到底？估計不行。