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科普:科學家如何讓看不見的黑洞現形?
2017-06-15 18:42:44 來源: 新華社
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  新華社北京6月15日電(記者喻菲 全曉書 屈婷)中國6月15日發射了硬X射線調制望遠鏡“慧眼”去探測黑洞。然而,神秘如幽靈般的黑洞不會發出任何光輻射,那麼怎樣才能在茫茫宇宙中探測到它們呢?這似乎有點像在煤窖裏尋找一只黑貓。幸好,科學家找到了一些辦法,其中之一就是“慧眼”使用的方法。

  方法一:柴郡貓的笑容

  雖然人類不能直接看見黑洞,但是它就好像《愛麗絲漫遊仙境》中會露出牙齒的柴郡貓一樣,通過強引力所導致的時空扭曲展現它的“笑容”。遠方天體發出的光線在黑洞附近會被彎曲,黑洞扮演了引力透鏡的角色。

  愛因斯坦的廣義相對論預言了這種效應,對于一個大質量天體而言,比如黑洞或者星係,會産生強大的引力場,使周圍時空彎曲得更加劇烈,包括光在內的任何東西都會受到強大引力場的影響。

  哈勃空間望遠鏡已經拍攝到很多這樣的例子,來自遙遠背景星係的光線在途經前方星係或者黑洞産生的引力場時,發生了扭曲而形成“弧形”,甚至可變成圓環形狀。天文學家認為引力透鏡不僅能讓我們了解到遙遠宇宙(背景星係)的情況,還可能包含著前景星係中央超大質量黑洞的信息。

  方法二:星星繞著誰跳舞?

  黑洞的引力會對附近天體産生影響。天文學家已經觀測到一些天體係統,其中的兩顆恒星因彼此間的引力吸引而做互繞運動。天文學家也發現,在某些這類雙星係統中只能看到一顆恒星,它繞著某個不可見的伴星做軌道運動。

  此外,在絕大多數星係的中心,都存在著一個超大質量黑洞。正如地球繞著太陽轉,星係中的恒星也都圍繞著這個超級黑洞旋轉。

  1995年起,天文學家開始對銀河係中心區域附近的90顆恒星進行軌跡觀測和記錄。這些記錄顯示:所有恒星都圍繞著一個黑暗的中心運動著。在20年的時間裏,這90顆恒星中的一顆名為S2的恒星完成了一次完整的繞行。根據S2的軌道數據,科學家終于計算出了銀河係中心這個黑暗天體的基本數據:質量約為430萬倍太陽質量,半徑約為0.002光年。這樣一個高密度不發光的天體,基本上只可能是黑洞。

  方法三:一貪吃就露餡

  當黑洞吞噬恒星等物質時,這些物質會被黑洞的巨大引力撕扯成氣體,並在黑洞視界外圍形成一個旋轉的氣體吸積盤,其中氣體一邊旋轉一邊向視界靠近,最終被吸入黑洞。吸積盤中氣體高速旋轉,越靠近視界轉速越快,高速氣體之間的摩擦會産生大量的熱,使吸積盤中心部分氣體溫度達到驚人的高度並發出強烈的X射線。科學家可以通過捕捉宇宙中的X射線,並由此推斷黑洞的存在。

  宇宙裏的大胃王  

  有的黑洞處于雙星係統中,而另外一個天體是正常的恒星,在這種情形下,正常恒星的物質會被黑洞強大的引力吸引過去。這些物質不會直接掉入黑洞中,而是會首先進入黑洞周圍的吸積盤中,某些時候吸積氣體的量過多,不能被黑洞全部吞掉,還會沿著黑洞的兩個轉軸將多余的氣體拋射出去,産生非常壯觀的噴流。正是由于吸積盤和噴流的存在,它們都能夠産生電磁輻射,科學家利用地面或者太空的望遠鏡就可以探測到黑洞的存在。

  中國發射的“慧眼”太空望遠鏡就是利用這個方法觀測黑洞的。

  方法四:看不見還可以聽

  2015年9月14日人類首次探測到引力波,從此擁有了感知宇宙的新能力,通過時空漣漪聆聽宇宙天體彈奏的交響樂。而那次探測到的引力波就來自兩個黑洞的並合,這也是黑洞以及雙黑洞係統存在的最有力證據。

  引力波就像時空中的漣漪。兩個黑洞組成的天體係統不會産生能夠被探測到的電磁波輻射。因此引力波是目前研究雙恒星級質量黑洞的唯一手段。引力波為人類打開了一扇研究黑洞的新窗口。引力波探測能夠幫助科學家了解雙黑洞係統在宇宙中的分布以及形成和演化機制。科學家認為,將來更高精度的引力波探測將有可能探測到黑洞內部的物質分布,從而理解它們的形成和演化歷史,而這是其他任何天文觀測手段都不可能實現的。(據新華社客戶端報道)

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【糾錯】 責任編輯: 李志強
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