「暗星」所反映的是時空彎曲的極端表現，也是引力的終極形態

2020-10-06 天體生物學

【作者：黃姤】

天文學家在研究「黑洞」的過程中發現黑洞的性質其實跟其他天體相比是極其簡單的，黑洞雖然看上去非常的神秘，但是真正要去描述它的話，只需要了解三個物理量：

  • 第1個：黑洞的質量。
  • 第2個：黑洞的角動量。
  • 第3個：黑洞所攜帶的電荷。

除了經上3點之外不需要任何的物理量，比如太陽最終變成一個黑洞的話，那麼它之前挾帶的密度、溫度、壓強、化學元素組成等等這些因素會全部消息，只需要質量、角動量和電荷描述就足夠了。

早在20世紀天文學家在討論大質量恆星終結的時候，有兩種不同的觀點：

  • 一種觀點認為：大質量恆星死亡後的結局是有可能產生黑洞的，因為引力最終會佔據主導的地位。
  • 另一種觀點認為：恆星的坍縮不會產生黑洞。

「愛因斯坦」是屬於後一類觀點的支持者，當然不管理論怎麼喻言，答案都是要從觀測裡面去尋找存在與否的證據，這個證據就是「類星體·3C273」。

圖解：「類星體·3C273」

第1次發現了來自於太陽系外的射電信號

在20世紀30年代有一位叫做「央斯基」的天文學家在「貝爾實驗室」裡工作，他的任務是調試一架望遠鏡，這架望遠鏡在研究長距離的無線電進行通訊的時候出現噪音問題，央斯基利用這架無線電望遠鏡進行了全天的無線電信號分析，他發現無線電通訊的噪音有不同的起源 ，有些是來自於雷暴，但是有一種起源讓他覺得很困惑，因為這些噪音不是來自於地球上的，也不是地球附近的，而是來自於一個特別的區域，這個區域在銀河系的中心的位置，所以央斯基實際上當時第1次發現了來自於太陽系外的射電信號，但是非常可惜的是央斯基的工作沒有繼續進行下去。

圖解：央斯基利用這架無線電望遠鏡第1次發現了來自於太陽系外的射電信號

到了20世紀60年代，人們開始大規模地用射電望遠鏡去研究「河外天體」，其中有一顆非常著名的「類星體·3C273」，這顆類星體在射電波段的輻射非常強烈，在射電波段輻射的圖像裡它有一條非常長的噴流結構，當時的天文學家一直不知道這是一類什麼樣的天體，在光學圖像所展示的形態跟恆星沒有特別大的差別。

圖解：左為「類星體·3C273」射電波段輻射圖像，右為光學圖像

於是天文學家開始去觀察3C273的光譜，它的光譜也非常特別，在當時的實驗室光譜裡面找不到跟它對應的譜線，所以這就成了一個謎。直到有一天「施密特」突然發現3C273的光譜其實就是常見的氫原子的光譜，只不過這些光譜被整體地位移的一段距離，這個距離的位移量太大了，超出當時天文學家的想像達，位移量到了16%，正是因為這個巨大的位移量使得譜線完全偏離了它原來的位置，把這個位移量補償進去之後它就和平通常的氫原子的光譜就完全一樣了，所以利用「哈勃定律」施密特就可以根據譜線的位移量得到3C273的距離，這個距離達到了24億光年，因此這是一顆特別遙遠的天體，正因為距離太遠了，這就意味著它的光度是非常高的，達到了5萬億倍的太陽光度，因此類星體是離我們極其遙遠的一些河外星體。

圖解：「類星體·3C273」光譜

更加特別的是天文學家在監測3C273的時候，發現它的輻射強度是在變化的，3C273的輻射強度是隨著時間的推移而變化的，這就意味著產生這個輻射的區域是在幾個光年內的，下面舉例說說3C273輻射源的來源區域的推斷。

推斷輻射源大小的的辦法

比如，某一個人在遠處對你歌唱，那麼你聽到她的歌聲只是她唱出來的歌聲延遲，但是如果有幾個人她們在同時歌唱，而這個時候由於每一個人跟你的距離是不一樣的，所以她們唱出來的旋律，儘管從她們本人來看是同一時間歌唱的，但是進入到你耳朵的時候，她們的歌聲很多會相互抵消，所以你聽到的其實是雜音了，聽不出來它裡面所包含的旋律，這個原因就是輻射源或者說聲源的大小所決定的。

3C273的光變與上面的例子類似，如果這個光源很小，那麼這個時候接受到的光變就比較準確地反映了它原來光變信號的特徵。如果這個光源它本身的尺度很大，在它的每一點所發出來的光，由於具有不同的位相，所以在到達探測器的時候它們往往會發生相互抵消的效果，於是這種光變的特徵就難以表現出來了，這就是3C273所在的區域只限於幾個光年內。

3C273的總光度達到了5萬億倍的太陽光度，但是它的輻射區只有幾個光年，幾個光年在星系裡面是一個非常小尺寸，因為我們知道像銀河系它的尺度達到了10萬光年。

  • 什麼樣的機制才能在小區域裡面產生強烈的輻射？

引力勢能釋放是一種特別的渠道，並不像恆星坍縮那樣以近似自由落體的方式來釋放它的引力勢能，在中心天體周圍氣體做螺旋式的運動從而形成了一個盤狀的結構，這個結構稱為「吸積盤」，當氣體在盤裡面快速轉動的時候，它們之間會發生相互的摩擦，半徑越小速度越快摩擦就越強所以溫度就越高，這樣釋放出來的能量呢越高。

上面說到了3C273輻射區域只有幾個光年，所以能夠產生這麼高光度的天體只能是一個大質量的黑洞，因為只有一個大質量的黑洞才能夠滿足它的大小小於幾個光年，同時又能夠產生這麼強烈的輻射，因此人們對於黑洞的了解其實最早是從星系裡面大質量黑洞開始的。後來才有了更加直接的、更加可靠的證據，而這個證據其實在銀河系的中心就可以找到，在銀河系中心通過觀測恆星的運動，發現它們的運動其實受到一個力的支配，這個力所反映出來的質量達到了幾百萬倍太陽質量，而恆星運動的軌道非常小，與太陽系是相當的，如果在太陽系的大小的區域裡面集中了幾百萬倍太陽質量的物質的話，那麼它不可能是正常的恆星，所以唯一的可能就是它是一個超大質量的黑洞，這是目前為止在星系領域發現超大質量黑洞存在最有力的證據。

如何尋找「黑洞」？

文章開端時講到天文學家在研究恆星演化的時候提出大質量的恆星演化坍縮的一種結局是形成黑洞，如果說這是對的話，那麼這些黑洞在哪呢？怎麼樣去找到它們呢？

  • 答案：通過雙星系統裡面利用黑洞對於伴星的影響來發現黑洞的蹤跡。

雖然黑洞本身是不發光的，但是它和伴星的相互引力作用會使得伴星在做軌道運動的時候產生譜線變化，上文提到的譜線周期性的紅移和藍移現象，在雙星系統裡面絕大部分都是由兩個正常恆星構成的，真正意義上由黑洞加上另外一顆恆星構成的雙星系統是非常少的。

在星系的中心超大質量黑洞可以通過引力的方式來捕獲、吸積周圍的物質來產生輻射，在雙星系統裡面一個黑洞可以捕獲物質，這個物質是來自於它的伴星，物質在接近黑洞的時候伴星的一部分物質在黑洞的引力下流向了黑洞，並且在它周圍也形成了吸積盤，盤裡的物質會發生摩擦從而產生輻射，因為黑洞的大小用史瓦西半徑來表示，所以物質在接近黑洞的時候運動速度是非常高的，這就意味著它的溫度可以達到上億K，它所產生的輻射主要落在了X射線波段而不是在光線波段，尋找這些明亮的X射線源。

圖解：黑洞吸積伴星的物質

（黃姤）總結：揭開黑洞的面紗

到目前為止在銀河系裡面利用這種辦法探測的黑洞已經達到了幾十個，當然這只是在銀河系裡所有黑洞的冰山一角，但是它證明大質量恆星死亡導致的坍縮過程確實會形成黑洞，而黑洞通過它和伴星之間的相互作用，使得它們表現為高能的輻射源。

圖解：銀河系裡發現的一些黑洞

在最近幾十年來，天文學家為了去研究黑洞以及跟黑洞相關的高能天體物理現象，發射了很多的空間衛星包括「錢德拉X射線天文臺」、「XMM牛頓天文臺」以及中國第1次發射的X射線望遠鏡「慧眼」。

除了在電磁波段去搜尋去研究黑洞之外，也有了一個新的方法就是引力波的探測，在2016年的2月，「雷射幹涉引力波天文臺」第1次探測到了兩個黑洞併合所產生的引力波，它們所產生的引力波信號本身就提供了黑洞的一些重要的信息，包括黑洞的質量和自轉。

目前在兩個不同的領域得到的黑洞質量的分布，通過X射線觀測得到的黑洞質量分布，它們主要在幾倍到十幾倍太陽質量之間，由引力波探測到的黑洞以及它們閉合之後形成的新黑洞，其中有一部分黑洞的質量達到了30倍、40倍、50倍甚至達到了70倍以上太陽質量，所以說引力波的探測其實也打開了研究黑洞的一新窗口，黑洞的研究已經深刻地改變了我們的時空觀和宇宙觀，黑洞所反映的是時空彎曲的一種極端的表現，是引力的一種終極形式。

圖解：紫色是X射線觀測得到的黑洞，藍色是引力波探測到的黑洞

【作者：天體生物學·黃姤】

【編輯：太空生物學·黃媂】

【旁述：餘生】

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