黑洞是一種本身不發光的神秘天體。任何物質,包括光也無法從它身邊逃離。根據品質的不同,黑洞一般分為恒星級黑洞、中等品質黑洞和超大品質黑洞。

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    中文名
    黑洞
    外文名
    Black Hole
    學科
    廣義相對論,天體物理學,黑洞熱力學

    1簡介

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    黑洞是一種本身不發光的神秘天體。任何物質,包括光也無法從它身邊逃離。由於黑洞中的光無法逃逸,所以我們無法直接觀測到黑洞。然而,可以通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測到它的存在。

    根據品質的不同,黑洞一般分為恒星級黑洞、中等品質黑洞和超大品質黑洞。這其中,恒星級黑洞是由大品質恒星死亡形成的,是宇宙中廣泛存在的“居民”。理論預言銀河系中有上億顆恒星級黑洞,但迄今為止,天文學家僅在銀河系發現了約20顆恒星級黑洞——而且都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識別的、品質均小于20倍太陽品質的黑洞。

    找到新的方法,發現數量巨大、沒有X射線輻射的黑洞,成了天文學界近年來研究的熱點和難點。

    2成因

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    黑洞是一個空間-時間區域,它的最週邊是光所能從黑洞向外到達的最遠距離,這個邊界稱為“事件視界”。它如同一個單向的膜,只允許物質穿過視界並落到黑洞裏去,但沒有任何物質能夠從裏面出來。 “黑洞”很容易讓人望文生義地想像成一個“大黑窟窿”,其實不然。所謂“黑洞”,就是這樣一種天體:它的引力場是如此之強,就連光也不能逃脫出來。 根據廣義相對論,引力場將使時空彎曲。當恒星的體積很大時,它的引力場對時空幾乎沒什麼影響,從恒星表面上某一點發的光可以朝任何方向沿直線射出。而恒星的半徑越小,它對周圍的時空彎曲作用就越大,朝某些角度發出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面。 等恒星的半徑小到一特定值(天文學上叫“史瓦西半徑”)時,就連垂直表面發射的光都被捕獲了。到這時,恒星就變成了黑洞。説它“黑”,是指它就像宇宙中的無底洞,任何物質一旦掉進去,“似乎”就再不能逃出。實際上黑洞真正是“隱形”的。

    3相關研究

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    超大黑洞形成關鍵在高密度氣體盤

    2016年8月,日本東京大學宣佈,該大學泉拓、河野孝太郎等人的研究小組首次發現,在超大黑洞的成長過程中,一些高密度分子氣體圓盤具有重要的氣體品質供給源的功能,可以綜合證明星系中心部位的氣體品質流入和流出的平衡,符合“高密度分子氣體圓盤內形成的大品質星體發生超新星爆發,氣體中産生強烈亂流,促進向內側供給氣體”的理論模式。

    該研究小組利用阿爾瑪望遠鏡獲得的高解析度電波觀測數據,對附近星系中心超大黑洞周圍數百光年範圍的低溫、高密度分子氣體圓盤進行了調查。新的發現是接近揭開超大黑洞起源之謎的重要成果,該小組今後將繼續對遠方的黑洞天體進行詳細觀測,以增進對宇宙中黑洞成長的理解。

    根據近年來的觀測,多數星系中心普遍存在超過太陽品質100萬倍以上的超大黑洞,但它們的形成過程仍是個謎,這也是現代天文學的重要課題之一。以前科學家就知道,超大黑洞吸收的氣體量與星系中心星體形成率相關,即中心大量産生星體的星系,其黑洞的氣體吸收率也增大。這意味著兩種現象具有某種物理結構關係,星體形成驅動黑洞的成長,但對其詳細機理尚不明瞭。

    此次,研究小組利用“低溫高密度分子氣體”作為解決這一問題的突破口進行了觀測研究。這是因為低溫分子氣體是星系中心部位星際物質的主要存在形式。特別是高密度分子氣體是星體形成的母體,對於研究超大黑洞成長和星體形成之間物理關係最為合適。

    通過對中心存在超巨大黑洞的10個星系進行分析,研究小組首次發現了高密度分子氣體圓盤的品質與超巨大黑洞品質吸收率具有很強的正相關聯。研究結果認為,作為超大黑洞的品質供給源,附近的高密度分子氣體圓盤起到了重要作用,而星系全體氣體的多少對超大黑洞成長並沒有影響。

    發現迄今最大的恒星級黑洞

    北京時間2019年11月28日淩晨,國際科學期刊《自然》發佈了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發現。依託我國自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST),研究團隊發現了一顆迄今為止品質最大的恒星級黑洞,並提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。這顆70倍太陽品質的黑洞遠超理論預言的品質上限,顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知,有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。

    2016年秋季開始,國家天文臺領導的研究團隊利用LAMOST開展雙星課題研究,歷時兩年監測了一個小天區內3000多顆恒星。結果發現,在一個X射線輻射寧靜的雙星系統(LB-1)中,一顆8倍太陽品質的藍色恒星,圍繞一個“看不見的天體”做著週期性運動。不同尋常的光譜特徵表明,那個“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。研究人員隨即進行了“確認”:他們通過西班牙10.4米口徑迦納利大望遠鏡和美國10米口徑凱克望遠鏡,進一步確認了LB-1的光譜性質,計算出該黑洞的品質大約是太陽的70倍。值得一提的是,在兩年之久的監測時間裏,LAMOST共為這項研究做了26次觀測,累積曝光時間約40個小時。劉繼峰表示,如果利用一架普通四米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞,同樣的幾率下,則需要40年的時間——這充分體現出LAMOST超高的觀測效率。

    目前恒星演化理論預言在太陽金屬豐度下只能形成最大為25倍太陽品質的黑洞。這顆新發現黑洞的品質已經進入了現有恒星演化理論的“禁區”。美國鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)從2015年起,通過探測引力波的方法發現了數十倍太陽品質的黑洞;2017年,雷納·韋斯、基普·索恩和巴裏·巴裏什因在LIGO的建造和引力波探測方面的貢獻被授予諾貝爾物理學獎。LIGO臺長大衛·雷茨評論,“在銀河系內發現70倍太陽品質的黑洞,將迫使天文學家改寫恒星級黑洞的形成模型。這一非凡的成果,將與過去四年裏美國鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)及歐洲室女座引力波天文臺(Virgo)探測到的雙黑洞併合事件一起,推動黑洞天體物理研究的復興”。接下來,利用LAMOST極高的觀測效率,天文學家有望發現一大批“深藏不露”的黑洞,開創批量發現黑洞的新紀元。

    這項工作是基於LAMOST(中國興隆)、迦納利大望遠鏡(西班牙迦納利群島)、凱克望遠鏡(美國夏威夷)和錢德拉X射線天文臺(美國)的觀測數據完成的。

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    標簽: 天文學 天體

    黑洞 圖冊
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    • 更新時間:2020-12-15
    • 創建者:國搜百科
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