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科普:科学家如何让看不见的黑洞现形?

2017-06-19 08:46 来源:新华社 记者 喻菲 全晓书 屈婷

  中国6月15日发射了硬X射线调制望远镜“慧眼”去探测黑洞。然而,神秘如幽灵般的黑洞不会发出任何光辐射,那么怎样才能在茫茫宇宙中探测到它们呢?这似乎有点像在煤窖里寻找一只黑猫。幸好,科学家找到了一些办法,其中之一就是“慧眼”使用的方法。

  方法一:柴郡猫的笑容

  虽然人类不能直接看见黑洞,但是它就好像《爱丽丝漫游仙境》中会露出牙齿的柴郡猫一样,通过强引力所导致的时空扭曲展现它的“笑容”。远方天体发出的光线在黑洞附近会被弯曲,黑洞扮演了引力透镜的角色。

  爱因斯坦的广义相对论预言了这种效应,对于一个大质量天体而言,比如黑洞或者星系,会产生强大的引力场,使周围时空弯曲得更加剧烈,包括光在内的任何东西都会受到强大引力场的影响。

  哈勃空间望远镜已经拍摄到很多这样的例子,来自遥远背景星系的光线在途经前方星系或者黑洞产生的引力场时,发生了扭曲而形成“弧形”,甚至可变成圆环形状。天文学家认为引力透镜不仅能让我们了解到遥远宇宙(背景星系)的情况,还可能包含着前景星系中央超大质量黑洞的信息。

  方法二:星星绕着谁跳舞?

  黑洞的引力会对附近天体产生影响。天文学家已经观测到一些天体系统,其中的两颗恒星因彼此间的引力吸引而做互绕运动。天文学家也发现,在某些这类双星系统中只能看到一颗恒星,它绕着某个不可见的伴星做轨道运动。

  此外,在绝大多数星系的中心,都存在着一个超大质量黑洞。正如地球绕着太阳转,星系中的恒星也都围绕着这个超级黑洞旋转。

  1995年起,天文学家开始对银河系中心区域附近的90颗恒星进行轨迹观测和记录。这些记录显示:所有恒星都围绕着一个黑暗的中心运动着。在20年的时间里,这90颗恒星中的一颗名为S2的恒星完成了一次完整的绕行。根据S2的轨道数据,科学家终于计算出了银河系中心这个黑暗天体的基本数据:质量约为430万倍太阳质量,半径约为0.002光年。这样一个高密度不发光的天体,基本上只可能是黑洞。

  方法三:一贪吃就露馅

  当黑洞吞噬恒星等物质时,这些物质会被黑洞的巨大引力撕扯成气体,并在黑洞视界外围形成一个旋转的气体吸积盘,其中气体一边旋转一边向视界靠近,最终被吸入黑洞。吸积盘中气体高速旋转,越靠近视界转速越快,高速气体之间的摩擦会产生大量的热,使吸积盘中心部分气体温度达到惊人的高度并发出强烈的X射线。科学家可以通过捕捉宇宙中的X射线,并由此推断黑洞的存在。

  宇宙里的大胃王

  有的黑洞处于双星系统中,而另外一个天体是正常的恒星,在这种情形下,正常恒星的物质会被黑洞强大的引力吸引过去。这些物质不会直接掉入黑洞中,而是会首先进入黑洞周围的吸积盘中,某些时候吸积气体的量过多,不能被黑洞全部吞掉,还会沿着黑洞的两个转轴将多余的气体抛射出去,产生非常壮观的喷流。正是由于吸积盘和喷流的存在,它们都能够产生电磁辐射,科学家利用地面或者太空的望远镜就可以探测到黑洞的存在。

  中国发射的“慧眼”太空望远镜就是利用这个方法观测黑洞的。

  方法四:看不见还可以听

  2015年9月14日人类首次探测到引力波,从此拥有了感知宇宙的新能力,通过时空涟漪聆听宇宙天体弹奏的交响乐。而那次探测到的引力波就来自两个黑洞的并合,这也是黑洞以及双黑洞系统存在的最有力证据。

  引力波就像时空中的涟漪。两个黑洞组成的天体系统不会产生能够被探测到的电磁波辐射。因此引力波是目前研究双恒星级质量黑洞的唯一手段。引力波为人类打开了一扇研究黑洞的新窗口。引力波探测能够帮助科学家了解双黑洞系统在宇宙中的分布以及形成和演化机制。科学家认为,将来更高精度的引力波探测将有可能探测到黑洞内部的物质分布,从而理解它们的形成和演化历史,而这是其他任何天文观测手段都不可能实现的。(据新华社客户端报道)

编辑: 杨智明
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