黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體]

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更新時間: 2019-04-11

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黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體]

黑洞是現代廣義相對論中,宇宙空間內存在的一種天體。黑洞的引力很大,使得視界內的逃逸速度大於光速。1916年,德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解,這個解表明,如果將大量物質集中於空間一點,其周圍會產生奇異的現象,即在質點周圍存在一個界面——「視界」一旦進入這個界面,即使光也無法逃脫。這種「不可思議的天體」被美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒(John Archibald Wheeler)命名為「黑洞」。黑洞無法直接觀測,但可以藉由間接方式得知其存在與質量,並且觀測到它對其他事物的影響。2017年12月7日,美國卡耐基科學研究所科學家發現有史以來最遙遠的超大質量黑洞,其質量是太陽的8億倍。北京時間2019年4月10日21時,在美國華盛頓、中國上海和台北、智利聖地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京將同時召開新聞發布會,以英語、漢語、西班牙語、丹麥語和日語發布「事件視界望遠鏡」的第一項重大成果。

中文名稱:黑洞外文名:Black hole
發現者:卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)最早發現時間:1916年
平均密度:ρ=3Mc^2/8πGM

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1 演化過程/黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體] 編輯

2 表現形式/黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體] 編輯

黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體]引力強大的黑洞。
據英國媒體報道,一項新的理論指出黑洞的死亡方式可能是以轉變為白洞的方式進行的。理論上來說,白洞在行為上恰好是黑洞的反面——黑洞不斷吞噬物質,而白洞則不斷向外噴射物質。 這一發現最早是由英國某雜誌網站報道的,其理論依據是晦澀的量子引力理論。[1]

恆星的時空扭曲改變了光線的路徑,使之和原先沒有恆星情況下的路徑不一樣。光在恆星表面附近稍微向內偏折,在日食時觀察遠處恆星發出的光線,可以看到這種偏折現象。當該恆星向內坍塌時,其質量導致的時空扭曲變得很強,光線向內偏折得也更強,從而使得光子從恆星逃逸變得更為困難。對於在遠處的觀察者而言,光線變得更黯淡更紅。最後,當這恆星收縮到某一臨界半徑(史瓦西半徑)時,其質量導致時空扭曲變得如此之強,使得光向內偏折得也如此之強,以至於光也逃逸不出去 。這樣,如果光都逃逸不出來,其他東西更不可能逃逸,都會被拉回去。也就是說,存在一個事件的集合或時空區域,光或任何東西都不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者,這樣的區域稱作黑洞。將其邊界稱作事件視界,它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。

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黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體]黑洞[特殊天體]
與別的天體相比,黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它,科學家也只能對它內部結構提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的時空。根據廣義相對論,時空會在引力場作用下彎曲。這時候,光雖然仍然沿任意兩點間的最短光程傳播,但相對而言它已彎曲。在經過大密度的天體時,時空會彎曲,光也就偏離了原來的方向。

在地球上,由於引力場作用很小,時空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周圍,時空的這種變形非常大。這樣,即使是被黑洞擋著的恆星發出的光,雖然有一部分會落入黑洞中消失,可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。觀察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一樣,這就是黑洞的隱身術。

黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體]黑洞模擬圖片
更有趣的是,有些恆星不僅是朝著地球發出的光能直接到達地球,它朝其它方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恆星的「臉」,還同時看到它的「側面」、甚至「後背」,這是宇宙中的「引力透鏡」效應。

這張紅外波段圖像拍攝的是我們所居住銀河系的中心部位,所有銀河系的恆星都圍繞銀心部位可能存在的一個超大質量黑洞公轉。 據美國太空網報道,一項新的研究顯示,宇宙中最大質量的黑洞開始快速成長的時期可能比科學家原先的估計更早,並且仍在加速成長。

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一個來自以色列特拉維夫大學的天文學家小組發現,宇宙中最大質量黑洞的首次快速成長期出現在宇宙年齡約為12億年時,而非之前認為的20~40億年。天文學家們估計宇宙的年齡約為138.2億年。

同時,這項研究還發現宇宙中最古老、質量最大的黑洞同樣具有非常快速的成長。有關這一發現的詳細情況發表在《天體物理學報》雜誌上。

如果黑洞足夠大,宇航員會開始覺察到拉著他腳的重力比拉著他頭的重力更強大,這種吸引力拖著他無情地向下落,重力差會迅速加大而將他撕裂(拉伸線),最終他的遺體會被分解而落入黑洞那無限緻密核心。

普金斯基和他的兩個學生艾哈邁德·艾姆哈里、詹姆斯·薩利,加上該校的另一位弦理論學家唐納德·馬洛夫一起,對這一事件進行了重新計算。根據他們的計算,卻呈現出完全不同的另一番場景:量子效應會把事件視界變成沸騰的粒子大漩渦,任何東西掉進去都會撞到一面火焰牆上而被瞬間烤焦。

美國宇航局有關一個超大質量黑洞及其周圍物質盤,炙熱的物質團(一個呈粉紅色,一個呈黃色)每一個的體積都與太陽相當,環繞距離黑洞較近的軌道運行。科學家認為所有大型星系中心都存在超大質量黑洞。黑洞一直在吞噬被稱之為「活躍星系核」的物質。由於被明亮並且溫度極高的下落物質盤環繞,黑洞的質量很難確定。根據刊登在《自然》雜誌上的一篇研究論文,基於對繞黑洞運行物質旋轉速度的計算結果,37個已知星系中心黑洞的質量實際上低於此前的預計。

3 質疑是否存在/黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體] 編輯

黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體]黑洞
一位美國理論物理學家經過數學計算得出結論——黑洞根本就不存在。相關論文分別發表在著名的預印本網站ArXiv和《物理快報B》雜誌上。

「得出這個結論后,即便我本人都感到十分震撼。」提出這一理論的美國北卡羅來納大學教堂山分校理論物理學教授勞拉·梅爾西尼—霍頓這樣描述自己的感受。她說:「科學家們研究這個問題已經超過了50年,而這個解決方案給了我們許多新的思考。」

1974年,霍金通過量子力學的方法得出結論:黑洞不僅能夠吸收黑洞外的物質,同樣也能以熱輻射的方式向外「吐出」物質。而這種量子力學現象,就被稱為霍金輻射。

黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體]全世界200多位科學家合作完成的一項重大天文學成果——人類首張黑洞照片,北京時間4月10日晚在全球多地同步發布。[2]

物理學家組織網2014年9月25日(北京時間)報道稱,新研究中梅爾西尼—霍頓描述了一種全新的方案。她和霍金都同意,當恆星因自身的引力發生坍塌時會產生霍金輻射。但梅爾西尼—霍頓認為,發出這種輻射后,恆星的質量也會不斷地發生損失。正因為如此,當這些恆星坍縮時就不可能達到形成黑洞所必須的質量密度。她認為,垂死的恆星在發生最後一次膨脹后,就會爆炸,然後消亡,奇點永遠不會形成,黑洞視界也不會出現。根本就不會存在像黑洞這樣的東西。

其實早在今年年初,霍金就曾通過論文指出在經典理論中黑洞是不存在的,他承認自己最初有關視界的認識是有缺陷的,並提出了新的「灰洞」理論。該理論認為,物質和能量在被黑洞困住一段時間以後,又會被重新釋放到宇宙中。

黑洞這一定義在經過漫長的時間推測后,已經慢慢被人們所接受。然而霍金今年年初發文否認黑洞的存在,取而代之提出了「灰洞」理論,這在物理學界掀起了不小的波瀾。如今,梅爾西尼—霍頓直截了當地稱「根本就不會存在像黑洞這樣的東西」,這無疑成為又一枚重磅炸彈——儘管梅爾西尼—霍頓遠不及霍金出名。當然,想以一己之力推翻既有的理論並不那麼容易,需要更多有說服力的證據加以佐證。[3]

4 分類特點/黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體] 編輯

5 探索歷史/黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體] 編輯

黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體]宇宙十大奇異黑洞現象
1970年,美國的「自由」號人造衛星發現了與其他射線源不同的天鵝座X-1,位於天鵝座X-1上的是一個比太陽重30多倍的巨大藍色星球,該星球被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學家一致認為這個物體就是黑洞,它就是人類發現的第一個黑洞。

1928年,薩拉瑪尼安·錢德拉塞卡(天體物理學家)到英國劍橋跟英國天文學家阿瑟·愛丁頓爵士(一位宣講相對論的物理家)學習。錢德拉塞卡意識到,泡利不相容原理所能提供的排斥力有一個極限。恆星中的粒子的最大速度差被相對論限制為光速。這意味著,恆星變得足夠緊緻之時,由不相容原理引起的排斥力就會比引力的作用小。錢德拉塞卡計算出;一個大約為太陽質量一倍半的冷的恆星不能支持自身以抵抗自己的引力。(這質量稱為錢德拉塞卡極限)前蘇聯科學家列夫·達維多維奇·蘭道幾乎在同時也發現了類似的結論。

如果一顆恆星的質量比錢德拉塞卡極限小,它最後會停止收縮並終於變成一顆半徑為幾千英里和密度為每立方英寸幾百噸的「白矮星」。白矮星是它物質中電子之間的不相容原理排斥力所支持的。第一顆被觀察到的是繞著夜空中最亮的恆星——天狼星轉動的那一顆。

蘭道指出,對於恆星還存在另一可能的終態。其極限質量大約也為太陽質量的一倍或二倍,但是其體積甚至比白矮星還小得多。這些恆星是由中子和質子之間,而不是電子之間的不相容原理排斥力所支持。所以它們被叫做中子星。它們的半徑只有10英里左右,密度為每立方英寸幾億噸。在中子星被第一次預言時,並沒有任何方法去觀察它,很久以後它們才被觀察到。

另一方面,質量比錢德拉塞卡極限還大的恆星在耗盡其燃料時,會出現一個很大的問題:在某種情形下,它們會爆炸或拋出足夠的物質,使自己的質量減少到極限之下,以避免災難性的引力坍縮,不管恆星有多大,這總會發生。愛丁頓拒絕相信錢德拉塞卡的結果。愛丁頓認為,一顆恆星不可能坍縮成一點。這是大多數科學家的觀點:愛因斯坦自己寫了一篇論文,宣布恆星的體積不會收縮為零。其他科學家,尤其是他以前的老師、恆星結構的主要權威——愛丁頓的敵意使錢德拉塞卡拋棄了這方面的工作,轉去研究諸如恆星團運動等其他天文學問題。然而,他獲得1983年諾貝爾獎,至少部分原因在於他早年所做的關於冷恆星的質量極限的工作。

錢德拉塞卡指出,泡利不相容原理不能夠阻止質量大於錢德拉塞卡極限的恆星發生坍縮。但是,根據廣義相對論,這樣的恆星會發生什麼情況呢。這個問題被一位年輕的美國人羅伯特·奧本海默於1939年首次解決。然而,他所獲得的結果表明,用當時的望遠鏡去觀察不會再有任何結果。以後,因第二次世界大戰的干擾,奧本海默捲入到原子彈計劃中去。戰後,由於大部分科學家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去,因而引力坍縮的問題被大部分人忘記了。

1967年,劍橋的一位研究生約瑟琳·貝爾發現了天空發射出無線電波的規則脈衝的物體,這對黑洞的存在的預言帶來了進一步的鼓舞。起初貝爾和她的導師安東尼·赫維許以為,他們可能和我們星系中的外星文明進行了接觸。在宣布他們發現的討論會上,他們將這四個最早發現的源稱為LGM1-4,LGM表示「小綠人」(「Little Green Man」)的意思。最終他們和所有其他人的結論是這些被稱為脈衝星的物體,事實上是旋轉的中子星,這些中子星由於在黑洞這個概念剛被提出的時候,共有兩種光理論:一種是牛頓贊成的光的微粒說;另一種是光的波動說。由於量子力學的波粒二象性,光既可認為是波,也可認為是粒子。在光的波動說中,不清楚光對引力如何響應。但是如果光是由粒子組成的,人們可以預料,它們正如同炮彈、火箭和行星那樣受引力的影響。起先人們以為,光粒子無限快地運動,所以引力不可能使之慢下來,但是羅麥關於光速度有限的發現表明引力對之可有重要效應。

1783年,劍橋的學監約翰·米歇爾在這個假定的基礎上,在《倫敦皇家學會哲學學報》上發表了一篇文章。他指出,一個質量足夠大並足夠緊緻的恆星會有如此強大的引力場,以致於連光線都不能逃逸——任何從恆星表面發出的光,還沒到達遠處即會被恆星的引力吸引回來。米歇爾暗示,可能存在大量這樣的恆星,雖然會由於從它們那裡發出的光不會到達我們這兒而使我們不能看到它們,但我們仍然可以感到它們的引力的吸引作用。這正是我們稱為黑洞的物體。

事實上,因為光速是固定的,所以,在牛頓引力論中將光類似炮彈那樣處理不嚴謹。(從地面發射上天的炮彈由於引力而減速,最後停止上升並折回地面;然而,一個光子必須以不變的速度繼續向上,那麼牛頓引力對於光如何發生影響。)在1915年愛因斯坦提出廣義相對論之前,一直沒有關於引力如何影響光的協調的理論,之後這個理論對大質量恆星的含意才被理解。

觀察一個恆星坍縮並形成黑洞時,因為在相對論中沒有絕對時間,所以每個觀測者都有自己的時間測量。由於恆星的引力場,在恆星上某人的時間將和在遠處某人的時間不同。假定在坍縮星表面有一無畏的航天員和恆星一起向內坍縮,按照他的表,每一秒鐘發一信號到一個繞著該恆星轉動的空間飛船上去。在他的表的某一時刻,譬如11點鐘,恆星剛好收縮到它的臨界半徑,此時引力場強到沒有任何東西可以逃逸出去,他的信號再也不能傳到空間飛船了。當11點到達時,他在空間飛船中的夥伴發現,航天員發來的一串信號的時間間隔越變越長。但是這個效應在10點59分59秒之前是非常微小的。在收到10點59分58秒和10點59分59秒發出的兩個信號之間,他們只需等待比一秒鐘稍長一點的時間,然而他們必須為11點發出的信號等待無限長的時間。按照航天員的手錶,光波是在10點59分59秒和11點之間由恆星表面發出;從空間飛船上看,那光波被散開到無限長的時間間隔里。在空間飛船上收到這一串光波的時間間隔變得越來越長,所以恆星來的光顯得越來越紅、越來越淡,最後,該恆星變得如此之朦朧,以至於從空間飛船上再也看不見它,所餘下的只是空間中的一個黑洞。然而,此恆星繼續以同樣的引力作用到空間飛船上,使飛船繼續繞著所形成的黑洞旋轉。

黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體]黑洞吞噬中子星
但是由於以下的問題,使得上述情景不是完全現實的。離開恆星越遠則引力越弱,所以作用在這位無畏的航天員腳上的引力總比作用到他頭上的大。在恆星還未收縮到臨界半徑而形成事件視界之前,這力的差就已經將航天員拉成義大利麵條那樣,甚至將他撕裂!然而,在宇宙中存在質量大得多的天體,譬如星系的中心區域,它們遭受到引力坍縮而產生黑洞;一位在這樣的物體上面的航天員在黑洞形成之前不會被撕開。事實上,當他到達臨界半徑時,不會有任何異樣的感覺,甚至在通過永不回返的那一點時,都沒注意到。但是,隨著這區域繼續坍縮,只要在幾個鐘頭之內,作用到他頭上和腳上的引力之差會變得如此之大,以至於再將其撕裂。

羅傑·彭羅斯在1965年和1970年之間的研究指出,根據廣義相對論,在黑洞中必然存在無限大密度和空間——時間曲率的奇點。這和時間開端時的大爆炸相當類似,只不過它是一個坍縮物體和航天員的時間終點而已。在此奇點,科學定律和預言將來的能力都失效了。然而,任何留在黑洞之外的觀察者,將不會受到可預見性失效的影響,因為從奇點出發的不管是光還是任何其他信號都不能到達。這令人驚奇的事實導致羅傑·彭羅斯提出了宇宙監督猜測,它可以被意譯為:「上帝憎惡裸奇點。」換言之,由引力坍縮所產生的奇點只能發生在像黑洞這樣的地方,在那兒它被事件視界體面地遮住而不被外界看見。嚴格地講,這是所謂弱的宇宙監督猜測:它使留在黑洞外面的觀察者不致受到發生在奇點處的可預見性失效的影響,但它對那位不幸落到黑洞里的可憐的航天員卻是愛莫能助。

廣義相對論相關

廣義相對論方程存在一些解,這些解使得我們的航天員可能看到裸奇點。他也許能避免撞到奇點上去,而穿過一個「蟲洞」來到宇宙的另一區域。看來這給空間——時間內的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是,所有這些解似乎都是非常不穩定的;最小的干擾,譬如一個航天員的存在就會使之改變,以至於他還沒能看到此奇點,就撞上去而結束了他的時間。換言之,奇點總是發生在他的將來,而從不會在過去。強的宇宙監督猜測是說,在一個現實的解里,奇點總是或者整個存在於將來(如引力坍縮的奇點),或者整個存在於過去(如大爆炸)。因為在接近裸奇點處可能旅行到過去,所以宇宙監督猜測的某種形式的成立是大有希望的。

事件視界,也就是空間——時間中不可逃逸區域的邊界,正如同圍繞著黑洞的單向膜:物體,譬如不謹慎的航天員,能通過事件視界落到黑洞里去,但是沒有任何東西可以通過事件視界而逃離黑洞。(記住事件視界是企圖逃離黑洞的光的空間——時間軌道,沒有任何東西可以比光運動得更快)人們可以將詩人但丁針對地獄入口所說的話恰到好處地用於事件視界:「從這兒進去的人必須拋棄一切希望。」任何東西或任何人一旦進入事件視界,就會很快地到達無限緻密的區域和時間的終點。

廣義相對論預言,運動的重物會導致引力波的輻射,那是以光的速度傳播的空間——時間曲率的漣漪。引力波和電磁場的漣漪光波相類似,但是要探測到它則困難得多。就像光一樣,它帶走了發射它們的物體的能量。因為任何運動中的能量都會被引力波的輻射所帶走,所以可以預料,一個大質量物體的系統最終會趨向於一種不變的狀態。(這和扔一塊軟木到水中的情況相當類似,起先翻上翻下折騰了好一陣,但是當漣漪將其能量帶走,就使它最終平靜下來。)例如,繞著太陽公轉的地球即產生引力波。其能量損失的效應將改變地球的軌道,使之逐漸越來越接近太陽,最後撞到太陽上,以這種方式歸於最終不變的狀態。在地球和太陽的情形下能量損失率非常小——大約只能點燃一個小電熱器, 這意味著要用大約1千億億億年地球才會和太陽相撞,沒有必要立即去為之擔憂!地球軌道改變的過程極其緩慢,以至於根本觀測不到。但幾年以前,在稱為PSR1913+16(PSR表示「脈衝星」,一種特別的發射出無線電波規則脈衝的中子星)的系統中觀測到這一效應。此系統包含兩個互相圍繞著運動的中子星,由於引力波輻射,它們的能量損失,使之相互以螺旋線軌道靠近。

在恆星引力坍縮形成黑洞時,運動會更快得多,這樣能量被帶走的速率就高得多。所以不用太長的時間就會達到不變的狀態。人們會以為它將依賴於形成黑洞的恆星的所有的複雜特徵——不僅僅它的質量和轉動速度,而且恆星不同部分的不同密度以及恆星內氣體的複雜運動。如果黑洞就像坍縮形成它們的原先物體那樣變化多端,一般來講,對之作任何預言都將是非常困難的。

黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體]黑洞
然而,加拿大科學家外奈·伊斯雷爾在1967年使黑洞研究發生了徹底的改變。他指出,根據廣義相對論,非旋轉的黑洞必須是非常簡單、完美的球形;其大小隻依賴於它們的質量,並且任何兩個這樣的同質量的黑洞必須是等同的。事實上,它們可以用愛因斯坦的特解來描述,這個解是在廣義相對論發現后不久的1917年卡爾·施瓦茲席爾德找到的。一開始,許多人(其中包括伊斯雷爾自己)認為,既然黑洞必須是完美的球形,一個黑洞只能由一個完美球形物體坍縮而形成。所以,任何實際的恆星從來都不是完美的球形只會坍縮形成一個裸奇點。

然而,對於伊斯雷爾的結果,一些人,特別是羅傑·彭羅斯和約翰·惠勒提倡一種不同的解釋。他們論證道,牽涉恆星坍縮的快速運動表明,其釋放出來的引力波使之越來越近於球形,到它終於靜態時,就變成準確的球形。按照這種觀點,任何非旋轉恆星,不管其形狀和內部結構如何複雜,在引力坍縮之後都將終結於一個完美的球形黑洞,其大小隻依賴於它的質量。這種觀點得到進一步的計算支持,並且很快就為大家所接受。

伊斯雷爾的結果只處理了由非旋轉物體形成的黑洞。1963年,紐西蘭人羅伊·克爾找到了廣義相對論方程的描述旋轉黑洞的一族解。這些「克爾」黑洞以恆常速度旋轉,其大小與形狀只依賴於它們的質量和旋轉的速度。如果旋轉為零,黑洞就是完美的球形,這解就和施瓦茲席爾德解一樣。如果有旋轉,黑洞的赤道附近就鼓出去(正如地球或太陽由於旋轉而鼓出去一樣),而旋轉得越快則鼓得越多。由此人們猜測,如將伊斯雷爾的結果推廣到包括旋轉體的情形,則任何旋轉物體坍縮形成黑洞后,將最後終結於由克爾解描述的一個靜態。

黑洞是科學史上極為罕見的情形之一,在沒有任何觀測到的證據證明其理論是正確的情形下,作為數學的模型被發展到非常詳盡的地步。的確,這經常是反對黑洞的主要論據:怎麼能相信一個其依據只是基於令人懷疑的廣義相對論的計算的對象呢?然而,1963年,加利福尼亞的帕羅瑪天文台的天文學家馬丁·施密特測量了在稱為3C273(即是劍橋射電源編目第三類的273號)射電源方向的一個黯淡的類星體的紅移。他發現引力場不可能引起這麼大的紅移——如果它是引力紅移,這類星體必須具有如此大的質量,並離地球如此之近,以至於會幹擾太陽系中的行星軌道。這暗示此紅移是由宇宙的膨脹引起的,進而表明此物體離地球非常遠。由於在這麼遠的距離還能被觀察到,它必須非常亮,也就是必須輻射出大量的能量。人們會想到,產生這麼大量能量的唯一機制看來不僅僅是一個恆星,而是一個星系的整個中心區域的引力坍縮。人們還發現了許多其他類星體,它們都有很大的紅移。但是它們都離開地球太遠了,所以對之進行觀察太困難,以至於不能。

看清黑洞磁場

科學家認為,黑洞引擎是由磁場驅動的。藉助事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,EHT),天文學家在我們銀河系中心超大黑洞事件視界的外側探測到了磁場。發現在靠近黑洞的某些區域是混亂的,有著雜亂的磁圈和渦漩,就像攪在一起的義大利面。相反,其他區域的磁場則有序得多,可能是物質噴流產生的區域。還發現,黑洞周邊的磁場在短至15分鐘的時間段內都會發生明顯變化。[5]

理論修改

黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體]M87中心超大質量黑洞
2015年3月,霍金對黑洞理論進行了修改,宣稱黑洞實際上是「灰色的」。新「灰洞」理論稱,物質和能量被黑洞困住一段時間后,又會被重新釋放到宇宙中。

2016年1月,霍金同物理學家馬爾科姆·佩里、安德魯·施特羅明格提出了新理論:讓信息「逃逸」的黑洞裂口由「柔軟的帶電毛髮」組成,它們是位於視界線上的光子和引力子組成的粒子,這些能量極低甚至為零的粒子能捕獲並存儲落入黑洞的粒子的信息。[6]

黑洞照片

美國東部時間2019年4月10日9時(北京時間10日21時),在美國華盛頓、中國上海和台北、智利聖地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京將同時召開新聞發布會,以英語、漢語、西班牙語、丹麥語和日語發布「事件視界望遠鏡」的第一項重大成果。[7]

6 特徵/黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體] 編輯

7 專家研究/黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體] 編輯

8 最新進展/黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體] 編輯

據英國《新科學家》雜誌在線版2017年4月5日消息稱,真正的天文重器——「地球大小」的望遠鏡目前正準備「穿透星系的心臟」。它由全球各地的8個射電觀測台組成,模擬出一台具有行星規模的天文設備。今年4月,只要所有觀測台天氣條件合適,它們會立即開啟,人類將利用其首次對黑洞進行拍照,揭開近百年來仍無解的黑洞謎底。

這組巨大的天文設備名為「事件視界望遠鏡」(EHT),其囊括了位於西班牙、美國和南極等地的射電望遠鏡。現在,EHT的8隻「眼睛」已組合完畢,科學家們正協調射電望遠鏡陣列,模擬成一台虛擬的「地球大小的望遠鏡」,準備首次嘗試對宇宙黑洞進行拍照——只有行星規模的望遠鏡有能力「照亮」黑洞,因此,可對星系中心的超重黑洞進行監測。

望遠鏡目標最終指向距離地球25000光年的人馬座A*黑洞以及M87星系黑洞。前者是位於銀河系中心一個亮度極高且緻密的無線電波源,屬於人馬座A星系的一部分,星系的「心臟」就是超大質量黑洞的所在,它也被看作研究黑洞物理的最佳對象;而M87星系核心的黑洞質量,估計可能會達到30億至64億個太陽質量。一直以來,人們對這兩個神秘的目標都缺乏清晰詳盡的數據。

團隊表示,4月5日至14日夜晚,當全部8個觀測地天氣晴朗,他們將會立即啟動「事件視界望遠鏡」,以前所未有的解析度創建圖像。如果這項嘗試成功了,所獲照片將會幫助科學家進一步檢測廣義相對論。與此同時,來自美國激光干涉引力波天文台(LIGO)和歐洲引力波天文台(VIRGO)的科學家將會聯合進行一項深入研究,以確定特殊星系引力波的起源。

該團隊包括荷蘭奈梅亨大學以及德國馬克斯·普朗克物理研究所等機構,研究人員表示,「事件視界望遠鏡」的運行將向人類展示宇宙的最基本信息。[13]

2017年12月7日,美國卡耐基科學研究所科學家發現有史以來最遙遠的超大質量黑洞,該黑洞質量是太陽質量的8億倍。這與現今宇宙中發現的黑洞有著很大不同,此前發現的黑洞質量很少能超過幾十倍的太陽質量。[14]

黑洞[時空曲率大到光都無法逃脫的天體]黑洞「吃星星」后吸積盤和光冕發生的變化
2018年3月6日,位於智利安第斯山脈托洛洛山頂的兩台「全天自動超新星搜索項目」望遠鏡捕收穫了一個編號為ASASSN-18ey的光學信號。5天後,國際空間站上搭載的全天X射線圖像監視器(MAXI)捕捉到了一個編號為MAXI J1820+070的X射線源。兩相比對后,天文學家們初步確定這兩個信號來自同一個正在吞噬天體的黑洞,形成一個黑洞雙系統。

值得一提的是,該信號源十分明亮,約在3260光年之外,這已經是目前人類發現的黑洞雙系統中距離地球最近的。

消息公開后,世界範圍內十數台地面望遠鏡和空間設備瞄準信號源,接收分析不同頻段的數據。其中就包括同樣位於國際空間站上的中子星內部組成探測器(NICER)。該載荷針對中子星周圍的極端引力、電磁場和核物理學設計,專門探測極端高密度和高壓下的奇妙物質狀態,因而也適用於黑洞的觀測。

為了理解探測器的工作方式,你可以想象一個「漆黑的山洞」中的水滴。你先聽到水滴聲,再聽到水滴聲反彈到洞壁上的回聲。水滴聲和回聲間的間隔越長,山洞的大小就越大。

對於黑洞而言,「水滴聲」就是從光冕中射出的X射線光子,而「回聲」就是光冕與吸積盤內緣相互作用后二次射出的X射線光子。

探測器由52對X射線收集器組成,可以記錄單個X涉嫌光子抵達的時間和能量,時間解析度達到100納秒以內,比美國國家航空航天局(NASA)的上一代最精確的X射線計時器快上25倍。

正因如此,這個美、英、荷、日聯合團隊才能夠捕捉到黑洞瞬變過程中X射線光譜的微妙變化:在吃下星星后,黑洞的吸積盤大小保持得相當穩定,光冕的尺寸卻收縮了。

這與此前預測的一種「吸積盤截斷模型「相左。此前,一些科學家們推測黑洞吃星星時吸積盤旋轉速度變快,從而收縮。如今,高精度的X射線探測器描述了不同的圖景。不過,為了排除個例的特殊性,這種新的描述模型尚需更多的案例檢驗。[15]

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