天文学家如何确定在遥远的地方存在黑洞?

文章作者:秩名 | 2015-04-07
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黑洞(Black hole)是现代广义相对论中,宇宙空间内存在的一种密度无限大,体积无限小的天体,所有的物理定理遇到黑洞都会失效。

1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild,1873~1916年)通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,这个解表明,如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱.这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒(John Archibald Wheeler)命名为“黑洞”.

“黑洞是时空曲率大到光都无法从其视界逃脱的天体”。   

黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后,发生引力坍缩产生的。黑洞的质量极其巨大,而体积却十分微小,它产生的引力场极为强劲,以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界(临界点)内,便再无法逃脱,甚至目前已知的传播速度最快的光(电磁波)也逃逸不出。

黑洞无法直接观测,但可以借由间接方式得知其存在与质量,并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因高热而放出紫外线和X射线的“边缘讯息”,可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹取得位置以及质量。

科学家最新研究理论显示,当黑洞死亡时可能会变成一个“白洞”,它不像黑洞吞噬邻近所有物质,而是喷射之前黑洞捕获的所有物质。

如果要让地球成为一个黑洞,那么需要把地球压缩成一颗豌豆那么大。

那么,天文学家如何确定在遥远的地方存在黑洞?

根据黑洞物理模型,在黑洞的强大引力作用下,其附近的尘埃、气体以及一部分恒星物质会围绕在黑洞周围,形成一个高速旋转的巨大的吸积盘。吸积盘的物质在黑洞的强大引力作用下高速旋转,吸积物质由于剧烈的摩擦加热变成高温等离子体,发生各种强烈的能量释放过程。通过利用天文望远镜观测这些过程,天文学家就能够识别黑洞的存在,并且深入研究黑洞怎样吞噬物质、影响周围环境,也可以研究整个星系演化。

这种能量释放主要包括三种情况:

1. 高温气体在落入黑洞之前,会积累在黑洞周围,形成致密、高速旋转的吸积盘。吸积盘和周围的气体包层可在各个波段产生很强的电磁辐射,强度远超整个星系所有恒星的总亮度,在望远镜图像上看起来就像银河系内的明亮恒星一样,所以称之为类星体。特别需要指出的是,许多类星体可以发出强烈的X 射线辐射并被直接观测到。由于X 射线能量很高,通过研究来自吸积盘内部靠近黑洞的区域的光谱形状,就可以通过牛顿力学和广义相对论来直接推算黑洞的质量。

2. 等离子体吸积盘具有强大的磁场,根据磁流体动力学原理,一部分物质会被磁场加速,产生垂直于盘面方向的强大物质喷流。该喷流可以延展到几十万光年的空间范围并与星系内的物质相互作用,在射电波段(波长为厘米到分米量级)形成明亮的喷泉状形态,被称为射电瓣。如果星系内存在射电瓣,则直接证明其中心存在黑洞并正在或曾经剧烈吸积物质。

3. 更为惊人和有趣的是,在非常偶然的情况下,会有恒星运动到距离黑洞很近的地方。这时,恒星不仅会被黑洞吞没,还会被黑洞强大的潮汐力撕碎瓦解,产生短暂的闪光现象。这类事件过于偶然,只有通过非常灵敏的望远镜对广大天区的许多星系进行长期监测,才有可能发现闪光现象。几十年来,天文学界仅发现了很少的闪光现象。最典型的事例是,2 0 0 9年天文学家在距离3 0亿光年的一个暗弱星系中观测到了非常明显的闪光现象。经测量,发现这个闪光事件释放的能量与最强大的超新星爆发相当。后续的观测研究给出了该天体亮度随时间的变化和残余物质的空间分布。理论物理学家通过计算机数值模拟,给出了恒星落入黑洞的整个物理过程,得到的结果与观测事实非常相近。科学家由此确信,该闪光现象确实源自黑洞撕碎并吞没恒星的过程。

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