神秘的黑洞,不發光也不輻射,人類是如何發現的?

2021-01-09 宇宙筆記本

對於黑洞這樣神秘的天體,現在我們大部分人都有所了解,基本都知道它是一個連光都無法逃脫的極端引力天體,在這裡面空間時間也已經不是我們正常思維所了解的,但有一個問題,黑洞竟然是看不見的,那科學家又是怎麼觀測?

科學家是用什麼方法來尋找黑洞的?

根據現在人類的科技水平,黑洞的確我們無法直接觀測到它,因為它沒有任何的電磁輻射,所以像光學望遠鏡,射電望遠鏡都是無法直接探測到它,那這個黑洞又要怎麼探測呢?其實早在1783年,愛因斯坦還沒有出生,黑洞理論更是還沒有成型時,英國的約翰米歇爾,就已經提出了這個如今重要的觀測黑洞方法「半星觀測法」,米希爾他之所以可以提出這樣的方法,也是因為1783年他基於光的微粒說,提出了黑洞理論的前身「暗星假說」。

他根據牛頓的萬有引力以及光威力計算得出。若天體質量足夠大,就可以將光困住,那它就是不發光的暗星,而尋找暗星的方法就是觀測它與伴星的相互作用。這也的確是現如今尋找黑洞的主要方法之一,但是他缺少了一個前提因素,就是你的首先找到疑似黑洞的候選天體。在用這個方法來計算驗證,因為宇宙中的恆星那真的是不計其數。你不能一個挨著一個這樣觀測吧,所以我們先要找出黑洞的候選天體。

黑洞候選天體又該怎麼尋找呢?

這個就是尋找X射線源,當黑洞吸食它伴星的物質時,會在黑洞周圍形成一種盤狀結構,稱為「吸積盤」。由於它強大的引力會將落入的物質加速到接近光的速度,並不斷摩擦升溫,這就會點亮吸積盤,而這樣高的能量就會輻射出高能的電磁波X射線甚至伽馬射線。

所以我們就可以探測到這樣高能的X射線,來尋找黑洞候選天體。但地面是無法探測到這樣的高能電磁波,因為地球大氣會阻擋這些波長短,能量高的電磁波,所以尋找X射線就需要在大氣層之外探測,這就需要發射X射線望遠鏡。1965年,美國科學家利用探空火箭在天鵝座區偶然發現了一個非常明亮的X射線天體,這是人類在此區域發現的第一個X射線天體,所以命名為天鵝座X1

在利用光學望遠鏡觀測時發現,這個X射線源是由一個看不見的天體發出,所以這個雙星系統很可能存在一顆黑洞。當然可能也不是,因為像白矮星中子星也會吸收伴星的物質,也會輻射出X射線,並且光學望遠鏡也很難觀測到它們,所以有可能是白矮星或中子星,這時只能斷定他是一顆黑洞的候選天體,因此它也就成為了人類探測到的第一個黑洞候選天體天鵝座X1。

怎麼確定這個候選天體是黑洞

這時就需要觀測它對伴星的相互作用來確定了,天文學家可以根據伴星的一些物理數據,比如運行軌跡公轉周期來計算出這個看不見天體的質量。當然確認這一過程也是非常漫長的,因為要想計算準確,你必須要觀測到伴星完整運轉周期的數據。所以自1965年發現第一顆黑洞候選天體到確認時已經是1990年了。科學家根據伴星的數據計算得出,這個看不見天體質量為10到15倍的太陽質量。而中子星形成黑洞的極限則是3.2倍太陽質量的奧本海默極限,這個質量已遠遠大於奧本海默極限,所以它不是中自星,更不是白矮星。而這個既會輻射高能X射線卻又不發光,質量又如此之大的天體無疑就是一顆黑洞,它也就成為了人類確認的第一顆黑洞「天鵝座X一」。

值得一提的是,當1965年找到第一個黑洞候選天體,到1990年確認之前,在1975年是霍金和基普索恩打賭,霍金賭他不是一顆黑洞,而吉普森賭他是那最後則是吉普賽人一樣了。當然他的賭注則是讓霍金給他買一年的雜誌。天文學家也發現了銀河系中心也存在高能X射線源。

自1995年起,天文學家就開始對銀河系中心區域的九十顆恆星進行軌跡觀測記錄。這些記錄顯示,所有恆星都圍繞著一個黑暗的中心在運動,在20年的時間裡,這九十個恆星中的一顆名為S二的恆星完成了一次完整的運行。根據S二的軌道數據,科學家中以計算出了銀河系中心這個黑暗天體的基本數據,質量約為430萬倍的太陽質量半徑約為0.002光年,這樣一個高密度不發光的天體,那無疑也是一顆黑洞的。所以之後人類確定銀河系的中心存在一顆質量為430多萬倍的超大質量黑洞人馬座A

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