科普:科学家如何让看不见的黑洞现形?
发布时间：2022-02-23 19:25:02
新華社北京6月15日電（記者俞飛泉舒曲婷）中國于6月15日發射了一台硬X射線調制望遠鏡“洞察之眼”，用于探測黑洞。然而，像鬼魂一樣的神秘黑洞不會發出任何光輻射，那麽如何在浩瀚的宇宙中探測到它們呢？這看起來有點像在煤窖裏找一隻黑貓。幸運的是，科學家們已經找到了一些方法，其中之一就是“洞察”所使用的方法。
方法一：柴郡貓的微笑
雖然人類無法直接看到黑洞，但它就像《愛麗絲夢遊仙境》中長着牙齒的柴郡貓一樣，通過強引力引起的時空扭曲來展現它的“微笑”。遠處物體發出的光将在黑洞附近彎曲，黑洞起着引力透鏡的作用。
愛因斯坦的廣義相對論預言了這種效應。對于一個巨大的天體，如黑洞或星系，它将産生一個強大的引力場，這将使周圍的時空發生更劇烈的彎曲，而包括光在内的一切都将受到強大引力場的影響。
哈勃太空望遠鏡捕捉到了許多這樣的例子。當通過前方星系或黑洞産生的引力場時，來自遙遠背景星系的光線被扭曲成“弧形”甚至環形。天文學家認爲，引力透鏡不僅可以讓我們了解遙遠宇宙（背景星系）的情況，還可能包含前景星系中心超大質量黑洞的信息。
方法二：明星們圍着誰跳舞？
黑洞的引力會影響附近的天體。天文學家已經觀察到一些天體系統，在這些系統中，兩顆恒星由于它們的引力而相互環繞。天文學家還發現，在一些這樣的雙星系統中，隻能看到一顆恒星，它圍繞着一顆看不見的伴星運行。
此外，在大多數星系的中心都有一個超大質量黑洞。正如地球圍繞太陽旋轉一樣，銀河系中的恒星也圍繞着超級黑洞旋轉。
自1995年以來，天文學家開始觀測并記錄銀河系中心區域附近90顆恒星的軌迹。這些記錄表明所有恒星都圍繞着一個暗中心運動。在20年内，90顆名爲S2的恒星中的一顆完成了完整的軌道。根據S2的軌道數據，科學家們最終計算出了銀河系中心暗天體的基本數據：其質量約爲太陽質量的430萬倍，半徑約爲0.002光年。這樣的高密度非發光物體隻能是黑洞。
方法3：當黑洞吞噬恒星和其他物質時，這些物質會被黑洞巨大的引力撕裂成氣體，并在黑洞的視界周圍形成一個旋轉的氣體吸積盤，氣體在其中旋轉并接近視界，最後被吸入黑洞。吸積盤中的氣體以高速旋轉。離地平線越近，速度越快。高速氣體之間的摩擦将産生大量熱量，這使得吸積盤中心的氣體溫度達到驚人的高度，并發射出強烈的X射線。科學家可以通過捕捉宇宙中的X射線來推斷黑洞的存在。
一些黑洞位于雙星系統中，而另一個天體是普通恒星。在這種情況下，正常恒星的物質将被黑洞的強大引力所吸引。這些物質不會直接落入黑洞，而是首先進入黑洞周圍的吸積盤。有時，吸積氣體的數量太多，無法被黑洞吞噬，多餘的氣體将沿着黑洞的兩個旋轉軸噴射出來，産生非常壯觀的噴流。由于吸積盤和射流的存在，它們可以産生電磁輻射。科學家可以利用地面或太空望遠鏡探測黑洞的存在。
中國發射的“洞察之眼”太空望遠鏡使用這種方法觀測黑洞。
方法4：如果你看不見，你可以聽
2015年9月14日，人類首次探測到引力波。從那時起，他們有了感知宇宙的新能力，并通過時空漣漪聆聽宇宙天體演奏的交響樂。探測到的引力波來自兩個黑洞的結合，這也是黑洞和雙黑洞系統存在的最有力證據。
引力波就像時空中的漣漪。由兩個黑洞組成的天體系統不會産生可探測的電磁輻射。因此，引力波是研究雙恒質量恒星黑洞的唯一手段。引力波爲人類研究黑洞打開了一扇新的窗口。引力波探測可以幫助科學家了解宇宙中雙黑洞系統的分布、形成和演化機制。科學家們相信，未來更高精度的引力波探測将有可能探測到黑洞内部的物質分布，從而了解黑洞的形成和演化曆史，這是任何其他天文觀測手段都無法實現的。（根據新華社客戶報道）
新华社北京6月15日电（记者俞飞泉舒曲婷）中国于6月15日发射了一台硬X射线调制望远镜“洞察之眼”，用于探测黑洞。然而，像鬼魂一样的神秘黑洞不会发出任何光辐射，那么如何在浩瀚的宇宙中探测到它们呢？这看起来有点像在煤窖里找一只黑猫。幸运的是，科学家们已经找到了一些方法，其中之一就是“洞察”所使用的方法。
方法一：柴郡猫的微笑
虽然人类无法直接看到黑洞，但它就像《爱丽丝梦游仙境》中长着牙齿的柴郡猫一样，通过强引力引起的时空扭曲来展现它的“微笑”。远处物体发出的光将在黑洞附近弯曲，黑洞起着引力透镜的作用。
爱因斯坦的广义相对论预言了这种效应。对于一个巨大的天体，如黑洞或星系，它将产生一个强大的引力场，这将使周围的时空发生更剧烈的弯曲，而包括光在内的一切都将受到强大引力场的影响。
哈勃太空望远镜捕捉到了许多这样的例子。当通过前方星系或黑洞产生的引力场时，来自遥远背景星系的光线被扭曲成“弧形”甚至环形。天文学家认为，引力透镜不仅可以让我们了解遥远宇宙（背景星系）的情况，还可能包含前景星系中心超大质量黑洞的信息。
黑洞的引力会影响附近的天体。天文学家已经观察到一些天体系统，在这些系统中，两颗恒星由于它们的引力而相互环绕。天文学家还发现，在一些这样的双星系统中，只能看到一颗恒星，它围绕着一颗看不见的伴星运行。
此外，在大多数星系的中心都有一个超大质量黑洞。正如地球围绕太阳旋转一样，银河系中的恒星也围绕着超级黑洞旋转。
自1995年以来，天文学家开始观测并记录银河系中心区域附近90颗恒星的轨迹。这些记录表明所有恒星都围绕着一个暗中心运动。在20年内，90颗名为S2的恒星中的一颗完成了完整的轨道。根据S2的轨道数据，科学家们最终计算出了银河系中心暗天体的基本数据：其质量约为太阳质量的430万倍，半径约为0.002光年。这样的高密度非发光物体只能是黑洞。
方法3：当黑洞吞噬恒星和其他物质时，这些物质会被黑洞巨大的引力撕裂成气体，并在黑洞的视界周围形成一个旋转的气体吸积盘，气体在其中旋转并接近视界，最后被吸入黑洞。吸积盘中的气体以高速旋转。离地平线越近，速度越快。高速气体之间的摩擦将产生大量热量，这使得吸积盘中心的气体温度达到惊人的高度，并发射出强烈的X射线。科学家可以通过捕捉宇宙中的X射线来推断黑洞的存在。
一些黑洞位于双星系统中，而另一个天体是普通恒星。在这种情况下，正常恒星的物质将被黑洞的强大引力所吸引。这些物质不会直接落入黑洞，而是首先进入黑洞周围的吸积盘。有时，吸积气体的数量太多，无法被黑洞吞噬，多余的气体将沿着黑洞的两个旋转轴喷射出来，产生非常壮观的喷流。由于吸积盘和射流的存在，它们可以产生电磁辐射。科学家可以利用地面或太空望远镜探测黑洞的存在。
中国发射的“洞察之眼”太空望远镜使用这种方法观测黑洞。
方法4：如果你看不见，你可以听
2015年9月14日，人类首次探测到引力波。从那时起，他们有了感知宇宙的新能力，并通过时空涟漪聆听宇宙天体演奏的交响乐。探测到的引力波来自两个黑洞的结合，这也是黑洞和双黑洞系统存在的最有力证据。
引力波就像时空中的涟漪。由两个黑洞组成的天体系统不会产生可探测的电磁辐射。因此，引力波是研究双恒质量恒星黑洞的唯一手段。引力波为人类研究黑洞打开了一扇新的窗口。引力波探测可以帮助科学家了解宇宙中双黑洞系统的分布、形成和演化机制。科学家们相信，未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，从而了解黑洞的形成和演化历史，这是任何其他天文观测手段都无法实现的。（根据新华社客户报道）
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