2020年天文學發現大事回顧——宇宙最神秘天體之黑洞篇

2021-01-07 星宇飄零

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

奇蹟般的2020年即將過去,(完稿時已經過去了……)我很喜歡這個年份,看著很舒服,情人年有木有 (^_^)。到了這一年的最後一天了,有點不舍,但時間之河奔流不息,從來沒有人能在時間裡停留。不過,有一個地方能無限放慢時間的腳步,那裡的時間永恆不變,那地方就是黑洞的邊界——事件視界。

在這2020的最後一天,是時候回顧一下這一年所發生過的科學大事件,但在這奇蹟的一年裡,發生過的大事實在太多了,10篇文章都寫不完,由於我的時間過得太快了,我還是寫一下時間過得比較慢的黑洞吧……這一篇我們要回顧的就是2020年關於黑洞的天文大事件!

2020年4月10日——視界面望遠鏡團隊公布第二張黑洞照片:3C 279類星體

2019年4月10日這一天,人類首張黑洞照片發布,包括天文學家在內的幾乎所有人都沒有想到能在有生之年看到黑洞的實拍照片,而科技讓我們共同見證了奇蹟,就是上面這張仿佛10級美顏濾鏡下的萌萌噠M87星系中心黑洞。跟去年一樣,在2020年4月10日前的幾天,我們就收到了消息,將要公布視界面望遠鏡拍攝的第二張黑洞照片,當所有人都在期待銀河系中心黑洞的實拍照片時,公布的卻是這張意外拍到的3C 279類星體及其噴流……

這是一個距離地球50億光年,約10億倍太陽質量的星系中心黑洞,由於在一個恆星範圍內發出星系級的電磁輻射,因此這類天體被稱為類星體。看樣子銀河系中心黑洞實在沒拍到……不過有消息說今年的4月份,視界面望遠鏡團隊已經重拍了銀河系中心黑洞,希望我們明年就能看到我們的星系黑洞實拍照片吧。

2020年5月6日——科學家發現距離地球最近的黑洞

5月6日,《天文學和天體物理學》雜誌發表論文,來自歐洲南方天文臺的幾位科學家通過光譜分析發現了迄今距離地球最近的黑洞。

通過光譜分析,天文學家在一個距離地球約1100光年的雙星系統HR 6918中發現了其中一顆伴星出現異常的繞轉周期,這意味著它正與一個看不見的天體互相繞轉。根據分析,這個看不見的天體質量約為4.2倍太陽質量,由於已經超出奧本海默極限,這顯然是一個黑洞,不過有科學家認為也可能是一對距離很近的雙中子星。

值得一提的是,發現這顆疑似黑洞的方法——光譜分析法是我國科學家首先應用在尋找黑洞上的,去年11月份我國發現的最大恆星級黑洞就是通過光譜巡天發現的。

2020年9月2日——LIGO探測到最強引力波

自2015年LIGO探測到首個引力波信號後,這種緻密天體引起的時空漣漪就不停地蕩漾在我們的時空中。2019年5月21日,一次有史以來探測到最強的引力波信號掠過地球,在LIGO和Virgo的雷射幹涉引力波探測器上留下了印記。後期的數據分析顯示,這個編號為GW190521的引力波信號來自於70億光年外一個65倍太陽質量的黑洞和一個85倍太陽質量的黑洞併合,所產生的引力波所含能量相當於8個太陽質量!最終合併形成一個142倍太陽質量的中等質量黑洞。這也是人類發現的(強行算是發現吧……)的首個中等質量黑洞。

而這次的兩個原始黑洞都超過了恆星坍縮所能形成的黑洞質量區間。一般認為,恆星末期無法產生65倍太陽質量的黑洞,要麼比這高,要麼比這個低,具體原因請看我此前的文章(見文末連接)。因此這次合併的雙黑洞很可能在此前就經歷過另外一次合併,這可能意味著黑洞在宇宙中分布的密度比我們預計的高。

另一方面,這次引力波也發現了光學對應體,這應該是首次確定的雙黑洞引力波光學對應體,上一次的引力波光學對應體是來自於是雙中子星併合的。科學家在引力波信號到達35天後測得的一個持續時間約40天的耀斑,這是兩個黑洞的吸積盤在碰撞時發出的,由於被周圍的氣體和塵埃減速,最終比引力波遲到了一個多月。

2020年9月21日——中國慧眼衛星發現距離黑洞最近的超高速噴流

9月21日,國際頂級學術期刊《自然》旗下的天文學專刊《自然天文學》發表了我國科學家的論文,我國慧眼衛星HXMT(硬X射線調製望遠鏡)在X射線雙星MAXI J1820+070中發現200keV以上高能段下存在低頻準周期振蕩,理論上這來自於扭動的黑洞噴流。慧眼團隊的科學家分析這是高速旋轉的黑洞所產生的參考下拖拽導致了黑洞噴流方向產生劇烈進動引起的扭動。

2020年9月23日——首個黑洞延時短片

這又是一個視界面望遠鏡的附屬品,9月23日美國天文學會旗下的《天體物理學》雜誌發表名為《視界面望遠鏡檢測到的M87中心黑洞在2009年-2017年的形態》的論文,通過多年的觀測記錄,科學家模擬了一個黑洞吸積盤繞M87黑洞旋轉的延時視頻,其中有一個類似恆星的高亮「物體」繞著黑洞轉。科學家分析這是吸積盤上超強的磁場擾動吸積盤上的等離子體引起密度變化產生耀斑引起的。(小聲嗶嗶:這特麼居然不是恆星……)

2020年10月6日——2020年度諾貝爾物理學獎頒給黑洞

今年的諾貝爾物理學獎出乎所有人意料,頒給了天文學裡的黑洞研究,這使四年內諾貝爾物理學獎三度頒給了天文學和宇宙學。此前的兩次分別是2017年頒給了引力波、2019年頒給了宇宙微波背景輻射和系外行星。

而今年則分別頒給了從事純理論研究,利用廣義相對論證明了黑洞形成具有必然性的物理學家羅傑·彭羅斯;和從事天文觀測,分別獨立證明銀河系中心存在大質量緻密天體的天文學家萊因哈德·根策爾和安德莉婭·蓋茲。他們倆發現的這個大質量緻密天體一般認為是一個約400萬倍太陽質量的黑洞。

2020年10月12日——天文學家觀測到2.15億光年外超大質量黑洞潮汐瓦解恆星的全過程

10月12日,英國《皇家天文學會月報》發表了天文學家觀測到的一次天文事件:黑洞吃恆星過程!這次事件是2019年9月19日觀測到的,這次編號為AT2019qiz的天文事件來自波江座2.15億光年外一個螺旋星系的中心黑洞。該黑洞是個約100萬倍太陽質量的超大質量黑洞。在9月19日捕獲到一個瞬變信號後,天文學家利用世界各地的天文臺進行多波段聯合觀測,在長達6個月的觀測裡,目睹了黑洞潮汐力撕裂恆星併吞噬的過程,最終由於拋出氣體塵埃的遮擋而結束觀測。

2020年10月28日——LIGO半年內探測到39次引力波事件

10月28日,LIGO發布了第三份引力波事件列表,包括升級後於2019年4月1日-2019年10月1日半年時間內探測到的39次引力波事件和此前的11次引力波事件,一共50次。

半年內39次,其中絕大部分都是雙黑洞併合事件,在現有探測精度下如此高的檢出量,意味著宇宙中的黑洞數目可能遠超過我們的預計。也許,這能成為原初黑洞存在的依據……

2020年10月27日&2020年11月1日——星宇飄零寫了兩篇關於原初黑洞的科普文

根據理論,從宇宙大爆炸開始到宇宙大爆炸後1秒以內這段極短的時間內,由於宇宙處在極高的能量密度下,在極微小的密度波動下即會使局部能量密度超過了臨界值從而形成視界,當視界形成,視界內的物質能量就會不可抗拒地往中心坍縮形成奇點,於是就產生了我們所說的原初黑洞。

假如這些原初黑洞存在,將能解釋暗物質之謎。

假如LIGO所檢測到的所有雙黑洞合併引力波信號均是由原初黑洞產生,那麼它也許就能符合理論預期的原初黑洞合併頻率,這樣,宇宙初期產生的大量原初黑洞將能提供暗物質所需的引力。

以上相關文章:

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(只能附5個連接,沒有連接的文章有興趣的可以自行搜索標題)

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