黑洞是如何被發現的？

2020-09-11 天文在線

「天文學家是如何發現第一個黑洞的？由誰發現的？何時發現？請解釋一下第一個黑洞如何被發現。」

沒有哪一位天文學家可以獨領發現黑洞的榮譽。在解釋天文學家如何發現黑洞存在的跡象之前，有必要了解兩條重要的物理學背景知識。

  1. 任何高於絕對零度（-273攝氏度）的天體都會發射出熱能，輻射的峰值波長取決於天體的溫度。例如，太陽的表面溫度大約6000開，所以當它的排放達到峰值時，會以綠光的形式呈現出來。 如果一個天體的溫度在100萬度左右，它的峰值發射就會是X射線。

2.恆星通常因與熱氣壓力和輻射壓力有關的引力而免於坍縮。但是，一旦熱能來源（核聚變反應）切斷，恆星就會坍縮。事實證明，當恆星變得越來越緻密時，除了氣體壓力，還有其它力量會抵消引力，比如直徑僅為10公裡的中子星。但天體物理學家錢德拉塞卡爾證明，一旦恆星超越了一個最大質量，將沒有任何東西可以與引力抗衡。因此，如果我們在太空中發現了一個緻密天體，其質量超過了臨界質量，我們就可以確定這是一個黑洞。

圖解：被銀河中心黑洞扯碎的氣體雲（2006年、2010年和2013年的觀測結果分別是以藍色、綠色和紅色表示） 圖源：wiki

現在回到尋找黑洞的問題上：如果沒有東西能逃離黑洞，黑洞又如何被發現呢？試想一個雙星系統，一個是黑洞，另一個是正常恆星。如果正常恆星的包層極度接近黑洞，黑洞猛烈的引力就會抽走正常恆星的氣體，將其撕碎、吞噬。

然而，由於角動量守恆，氣體不會直接陷入黑洞，必須圍繞它運行一段時間，才會被吸進去。所以，黑洞周圍形成了一個盤狀結構，氣體被黑洞緩慢吸收。當氣體繞圓盤軌道運行時，它的溫度會上升到幾百萬度，發出光譜中X射線部分的輻射（根據以上第一條注釋）。所以，當我們在空中探測到X射線源，就說明該處存在加熱到幾百萬度的氣體，而黑洞周圍的吸積盤就是實現這一點的機制之一。

如果發出X射線的系統是一個雙星系統，那麼就可以證明其中一顆恆星是一個緻密天體（中子星或黑洞）。雙星系統對天文學家的研究非常有用，它可以幫助我們測量出系統中恆星的質量（根據克卜勒定律）。如果緻密天體的質量超過了上述提到的臨界質量，就可以確定它是一個黑洞，以上便是發現黑洞的方式。

圖解：天鵝座X-1的X射線 圖源：NASA

現在來看看實際發現：上世紀70年代初，一個很強的X射線源於天鵝座被發現，被命名為天鵝座X-1。隨著時間推移，1972年春，天鵝座X-1被認為是一顆恆星，編號為HDE226868（為射電源）。很快就證實它是一個周期約為5.6天的雙星系統。

圖解：藝術家對HDE226868-天鵝座X-1雙星系統的意想圖 圖源：ESA/Hubble illustration

根據狹義相對論，任何東西的傳播速度都無法超過光速。因此，在光從其一端到達另一端所需的時間內，一個天體不能改變它的光度。對天鵝座X-1的分析顯示，如果天體放射的光度變化在時間上短至千分之一秒，該天體則只有幾千公裡寬。所以，證據表明其中一個恆星是緻密星。最後，天文學家利用雙星系統確定了緻密星的質量，發現它大於臨界質量，極有可能是一個黑洞。這是宇宙中第一個被發現的黑洞。

圖解：質量達太陽10倍的黑洞之電腦模擬圖 圖源：wiki

圖解：在巨大橢圓星系M87核心的超大質量黑洞 圖源：EHT

從那時起，天文學家利用多種方式探測到了太空中的數個黑洞。雖然有一類黑洞質量相對較小（大於太陽質量的5倍），但也有一些黑洞質量特別大（超過太陽質量的100萬倍），被稱為超大質量黑洞。這些黑洞被發現於幾個星系的中心，而我們的銀河系中心擁有一個200萬倍太陽質量的黑洞。

作者: Jagadheep D. Pandian

FY: 徐戈

如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處

相關焦點

  • 黑洞是如何被發現的?
    「天文學家是如何發現第一個黑洞的？由誰發現的？何時發現？請解釋一下第一個黑洞如何被發現。」在解釋天文學家如何發現黑洞存在的跡象之前，有必要了解兩條重要的物理學背景知識。 任何高於絕對零度（-273攝氏度）的天體都會發射出熱能，輻射的峰值波長取決於天體的溫度。例如，太陽的表面溫度大約6000開，所以當它的排放達到峰值時，會以綠光的形式呈現出來。 如果一個天體的溫度在100萬度左右，它的峰值發射就會是X射線。
  • 銀河系中心黑洞是如何被發現的?
    天文學家卡爾詹斯基過去30年來他一直在尋找一個黑洞，一個巨大的黑洞，就在我們銀河系的中心，他的發現將會推翻我們對宇宙是如何運作的所有概念。
  • 新發現引力波可研究黑洞如何配對
    科技日報北京4月21日電（記者劉霞）據美國《科學》雜誌網站近日報導，科學家探測到迄今最奇特黑洞對——兩顆黑洞質量相差2倍多並和產生的引力波。研究人員稱，新發現引力波擁有多個頻率，再一次證實愛因斯坦引力廣義相對論的正確性，此次事件也可以幫助理論家釐清黑洞對如何形成。
  • 什麼是黑洞?黑洞又是如何形成的?
    帶有特殊工具的太空望遠鏡可以幫助發現黑洞，專用工具可以看到非常靠近黑洞的恆星與其他恆星的行為方式不同。黑洞有多大？黑洞可以大也可以小。科學家認為，最小的黑洞只有一個原子大小。這些黑洞很小，但是引力依然很大。另一種黑洞稱為「星狀」，它的質量可能是太陽質量的20倍。
  • 從黑洞到黑洞能量,人類如何走進黑洞?
    從黑洞到黑洞能量，人類如何走進黑洞？近日，發表在《物理評論D》上的研究報告稱，哥倫比亞大學物理學家盧卡·科米索(Luca Comisso)和智利阿道夫·伊班奈茲大學物理學家費莉佩·阿森霍(Felipe Asenjo)發現，通過破壞和重聯黑洞視界附近的磁場線
  • 巨大黑洞是如何形成的?天文學家使用X射線觀測發現了14個
    在小星系中發現了更多的大黑洞，為了發現巨大的黑洞是如何形成的，天文學家已經在一些最小的星系中發現了其中一些物體，而這些最小的星系尚未發現它們。矮星系（Dwarf galaxies）是光度最弱的一類星系﹐在5萬秒差距之外看不到，其絕對星等M 為-8～-16等，有的矮星系是橢圓星系﹐也有的是I性不規則星系。
  • 天文學家首次發現超稀有類型的黑洞，是黑洞的合併體
    科學家們發現了他們認為是宇宙歷史上最強大，最重，最遙遠的兩個黑洞的合併體，這一合併體釋放了八顆太陽的能量。 從那次事件中，他們發現了更特別的東西-一種超罕見的黑洞。雖然黑洞合併已經不是首次現象，但是質量恰好在太陽質量的100到1,000倍的黑洞合併體在人類天文學史上還是首次被發現的。 碰撞的結果是一個「中間質量」黑洞，其質量是太陽質量的100到1,000倍。 科學家說，這是有史以來的第一個。
  • 你要想發現一個黑洞,該如何去找?
    連忙實施一個緊急計劃，組織成立了一個團隊，研究如何利用空間探測器，探測核爆炸放出的X射線、γ射線和高能粒子。這對監測蘇聯未來的核試驗是很重要的。這項計劃，在短短的16年間（1962年—1978年），使得X射線望遠鏡的測量精度提高了30萬倍。X射線望遠鏡測量精度的提高，從而讓我們對宇宙的認識發生了革命性的變化。
  • 2019年黑洞最大的發現,其中科學家發現黑洞噴出不明飛行物
    他們還更進一步了解了這些怪異而貪得無厭的「野獸」是如何工作的。以下是我們在2019年了解到的14個關於黑洞的最新東西。"這一發現迫使我們重新審視恆星質量黑洞是如何形成的模型，"雷射幹涉儀引力波天文臺（LIGO）主任、佛羅裡達大學教授大衛·雷茨（DavidReitze）在一份聲明中說。關於那個不可能的黑洞……不幸的是，大多數時候，似乎無視物理定律的發現站不住腳。
  • 天文學家發現:超大質量微型黑洞
    黑洞按形成方式可分為兩種——一種是恆星質量黑洞，由大型恆星死亡並坍塌而形成；還有一種就是超大質量黑洞，與其寄主星系共同演化（黑洞處於該寄主星系中心）。後一種黑洞的質量往往是太陽的100,000倍以上。但這是人們首次在矮星系中發現這樣一個微型「熔爐」，而且其質量只有以上數字的一半。
  • 黑洞裡面是什麼?盤點宇宙十大恐怖黑洞 黑洞如何殺死人類?[圖]
    原標題：黑洞裡面是什麼？盤點宇宙十大恐怖黑洞 黑洞如何殺死人類？[圖] 　　黑洞裡面是什麼？盤點宇宙十大恐怖黑洞 黑洞如何殺死人類？ 　　在宇宙空間中漫遊的「流浪黑洞」 　　當星系發生碰撞時，黑洞可能在碰撞中被踢出星系，在宇宙空間中開始漫遊旅程。科學家發現的第一個流浪黑洞被命名為SDSSJ0927+2943，它的質量大約為太陽質量的6億倍，並以每小時590萬英裡(約為950萬公裡每小時)的速度四處漂流，研究人員推測可能有數以百計的流浪黑洞漂移至銀河系。
  • Nature:中國科學家發現最大恆星級黑洞!有望開創黑洞發現新紀元
    北京時間2019年11月28日凌晨，國際科學期刊《自然》發布了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發現。依託我國自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），研究團隊發現了一顆迄今為止質量最大的恆星級黑洞，並提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。
  • 人類發現「中等質量黑洞」!黑洞理論被打臉是肯定的了
    那就是當年發現引力波的超大實驗儀器LIGO發現了一個極其奇怪的引力波信號。因為這次LIGO發現的是一個142倍太陽質量的黑洞，不僅如此，這個黑洞還是由更小一點的兩個黑洞合併形成的：一個是65倍太陽質量的黑洞，另一個是85倍太陽質量的黑洞。令科學家們奇怪的就是這顆85倍太陽質量的黑洞。根據我們現有的「黑洞理論」，宇宙中是不應該存在85倍太陽質量的黑洞的。現有的理論認為，黑洞可以特別小，也可以特別大，就是不能夠中等大小。
  • 黑洞是如何塑造一個星系的？黑洞風橫掃一切
    來自歐洲航天局XMM-牛頓x射線天文臺（XMM-牛頓衛星）的數據揭示了超大質量黑洞，是如何在橫掃星際物質的強風作用下形成宿主星系。在一項新研究中，科學家們分析了XMM-牛頓衛星對活躍星系PG 1114+445核心黑洞長達8年的觀測，展示了超快的黑洞風（從離黑洞非常近的吸積盤釋放出的氣體）如何與星系中心的星際物質相互作用。這些噴流以前也被發現過，但新研究首次明確指出了它們與宿主星系相互作用的三個階段。
  • 中等質量黑洞 黑洞這個開掛的超能力是如何練就的?
    中等質量黑洞 黑洞這個開掛的超能力是如何練就的？時間：2020-11-09 10:42   來源：今日頭條   責任編輯：莫小煙 川北在線核心提示：原標題： 中等質量黑洞 黑洞這個開掛的超能力是如何練就的？
  • 神秘的黑洞,不發光也不輻射,人類是如何發現的?
    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」。
  • 光都無法逃脫黑洞,那麼,科學家又是如何給黑洞拍照的呢?
    黑洞是如何被發現的黑洞這個名詞是在20世紀提出來的，其實，在18世紀，已經有科學家感知到了黑洞的存在，稱之為暗星。這是一個偉大的洞見，超越時代100多年。英國物理學家約翰·米歇爾在1783年提出了一個理論，如果有一顆和太陽質量相等，但體積很小的天體，這導致這個天體的引力非常大，以至於光子都無法逃脫。他提出這一理論的時候正是大清乾隆48年。
  • 大黑洞誕生記:科學家模擬首批星系如何孕育巨型黑洞
    暗物質光暈（插入圖）正在形成3個超大質量黑洞在揭示早期宇宙如何演化出第一批大質量黑洞方面，科學家又往前邁進一步。雖然這些遙遠黑洞的光線非常強烈，足以被130億光年外的望遠鏡捕捉到，但它們如何形成仍是一個不解之謎。藉助「藍水」超級計算機70TB「復興模擬」項目的數據，研究人員發現大質量黑洞可以在沒有恆星存在，但快速擴張的星系區域形成。
  • 黑洞所形成的「時空閉環」,是如何讓物體「無法逃逸」黑洞的?
    前面2期文章中我重點講解了黑洞逃離的辦法、黑洞的起源、黑洞為什麼能夠使得時空閉環，但是我並沒有詳細講解黑洞是如何讓「時空」形成「閉環」的，所以這期文章將針對這個話題進行詳細說明。由於上一期我們詳細分析了逃逸速度問題得出一個結論：就算有物體可以超光速，速度超過黑洞的逃逸速度，其實我們仍然不能離開黑洞。因為黑洞把周圍的時空極度彎曲形成了「時空閉環」，所以你速度再快也沒用，更何況目前任何物體都無法超光速。這就好好比於一個人要去美國，他說自己可以擁有很快的速度，但是連路都沒有，你如何去呢？時空閉環就是「沒有路」的意思。
  • 天文學家說,他們發現了有史以來發現的兩個黑洞的最大合併
    天文學家可能已經發現了有史以來發現的兩個黑洞之間最大的碰撞，這是大約 遙遠的表演包括兩個主要參與者：一個黑洞大約是我們太陽質量的66倍，另一個黑洞大約是我們太陽質量的85倍。兩者靠得很近，每秒迅速互相旋轉數次，然後最終以劇烈的能量碰撞而崩潰，這能量向整個宇宙發出衝擊波。他們合併的結果？一個黑洞大約是我們太陽質量的142倍。 對於天文學家來說，這樣的發現可能是一個重大發現。