探測黑洞 |
送交者: 天蓉 2022年05月26日05:20:44 於 [教育學術] 發送悄悄話 |
人類要敬畏頭頂上的星空,那兒有亮星也有黑洞,它們還喜歡牽手而行。眾里尋他千百度,亮星旁邊有黑洞…… 如今大家對黑洞已經不陌生,有時在新聞里都有報道。一百多年前,愛因斯坦建立了他最引以為傲的廣義相對論,人們將它用於宇宙得到三個預言:宇宙膨脹、黑洞、引力波,愛因斯坦都不相信它們真實存在。愛因斯坦直到1955年去世為止,一直不相信宇宙中真有黑洞。因此,黑洞是愛因斯坦理論的預言,卻不是愛因斯坦本人的預言。然而,天文學100年來的進展,越來越證實黑洞的存在。宇宙中可能存在的黑洞有3種:極小、恆星級、超大。除了量子級別的極小黑洞尚未被發現,其它兩類黑洞的巨大引力對其周圍物質引起的間接效應,都已經被多次觀察到。 ·恆星黑洞 德國物理學家史瓦西從廣義相對論得到 “史瓦西黑洞” 解。之後,印度物理學家錢德拉塞卡,以及美國物理學家奧本海默對引力塌縮的研究,得到預言:大於(8個)太陽質量的恆星,當熱核物質燒完後,引力塌縮可能形成三種天體,黑洞是其一。 恆星歸宿的三種天體,白矮星早在1910年就被發現,中子星也在1967年被發現。於是,20世紀六七十年代,天文學家們開始在天空中尋找黑洞。茫茫宇宙中,黑洞在哪裡呢?黑洞不發光、不輻射,便不能被看見,那麼應該如何來尋找它們?最後,人們把尋找的目標指向了雙星系統。 第一個恆星黑洞,在探測X-射線源時被偶然發現於一個雙星系統。說偶然也不偶然,X射線源、雙星,這些其實都和黑洞的特點有關。我們依賴接受來自天體的輻射,尋找星星探月觀天。輻射除了可見光之外,還有射電波、X射線、伽馬射線。 火箭把人帶上了太空,能夠到太空探測X射線,更為方便。1962年,美國天文學家賈科尼進行X射線全天掃描利用探空火箭。1970年,賈科尼在天鵝座的一顆藍巨星處發現一個很強的X射線源。進一步研究藍巨星的運動,發現她不是單身,還有一個暗藏的舞伴! 強大的X射線都是來自於這個舞伴,原來藍巨星與一個黑洞相伴!藍巨星和黑洞共同牽手十分美妙舞姿翩翩。藍巨星質量約20-40太陽質量,舞伴10-20太陽質量,超過形成黑洞的極限。賈科尼後來獲得2002年的諾貝爾物理獎,因為他對X射線天文學的研究,也包括他對人類第一次發現黑洞(天鵝座X-1)的貢獻! 天鵝座X-1黑洞視界半徑約為26km,離我們6000光年。霍金的名字也經常與黑洞連在一起,造成錯覺,人們以為他發現了黑洞。黑洞發現者不是霍金,他只是研究黑洞理論的一連串物理學家中之一: 愛因斯坦方程 =》史瓦西解 =》貝肯斯坦熵 =》霍金輻射 =》彭羅斯奇點 第一次觀察到天鵝座X-1可能是黑洞時,霍金便與基普·索恩打賭,霍金賭天鵝座X-1不是一顆黑洞,索恩則相反。兩人以互訂雜誌為賭註:如果霍金贏,索恩給他訂4年《偵探》,反之,霍金給索恩訂1年《閣樓》。實際上當時,兩位學者都知道天鵝座有80%的可能性是黑洞,但這是霍金採取的打賭的“保險措施”。因為他無論輸贏都高興,贏了得雜誌,輸了則證明了他的理論。 後來,觀測證據顯示這個系統中存在着引力奇點,的確是一個黑洞。霍金承認打賭失敗,給索恩訂了一年雜誌,還大張旗鼓地按手印“認輸”,但他打心眼裡高興,因為這是黑洞物理理論的第一個觀測證據。 ·第一張黑洞照片
愛因斯坦生前不相信黑洞真實存在,他去世十來年後發現的第一個恆星黑洞,14倍太陽質量,固然令他吃驚和高興,但聽到這個超重黑洞,太陽質量65億倍的巨無霸,人類還給它拍了一種照片,再一次證明愛因斯坦神預言,天堂里的他會怎麼想呢?
科學家們不僅確定了宇宙中存在超大黑洞,還公布了第一張黑洞照片,超大黑洞存在於星系中心,在我們的銀河系中心處,人馬座A*就是一個黑洞。
科學家們判定黑洞,只是間接地從它對周邊物體產生的效應,很難有直接證據。例如,2019年之前從來沒有給它們拍過照片,為什麼呢?都說眼見為實,看不見黑洞總能看見它周圍圍繞着的東西吧,有張照片也好啊!
給黑洞拍照很困難,主要原因是它們太小了!
我們能看見並看清楚物體,一是要接受到足夠強的信號,二是要有足夠大的視角。離得太遠使得信號太弱;且物體也太小視角小無法分辨。黑洞吸收一切無亮度可言,信號強弱需考慮周邊氣體吸積盤的輻射。視角取決於距離及大小。例如,月球d=40萬公里,直徑3400公里,月面視角約0.5度。拿第一個恆星黑洞天鵝座-X1的數據來看看:距離6000光年,視界大小26公里,只有月面視角的10億萬分之一( 10-13 )。
表徵黑洞大小的只有一個參數,就是它的視界,與質量成正比的史瓦西半徑,超大質量黑洞的質量是太陽質量的105到109倍,視界比恆星黑洞大多了。
因此人們將黑洞照的目標指向了超大黑洞:室女座中心的星系M87。這星系距離我們5500萬光年,質量是太陽質量的65億倍,特點是噴流特別長,噴流長度都有5000光年!
儘管離得非常遠,但與恆星黑洞比較,視角更大。因為距離幾乎1萬倍,但質量是萬萬倍,所以視角比天鵝座-X1大多了,但仍然只有月面視角的10億分之一,0.000000002度,相當於從地球上給月亮上的一個橘子拍照!
望遠鏡接受的波長越短,口徑越大,便有更小的角分辨率。M87黑洞是很強的1毫米左右無線電輻射源,使用接受1.3毫米波的射電望遠鏡。
為了達到高於0.000000002度的角分辨率,望遠鏡口徑8000公里!地球上如何做出這麼一個大鐵鍋?使用EHT!黑洞事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope)是使用VLBI技術的虛擬望遠鏡。
讓不同位置多個望遠鏡聯合組成網絡,同時觀測一個天體。用地球上6個地點8台望遠鏡完成。整個EHT相當於口徑為幾千千米的望遠鏡。8個台站觀測5天,兩年處理數據,才成功地拍了這張照片!
·銀河系中心的黑洞照片
5月12日,EHT公布了銀河系中心的黑洞照片。
一張照片拍攝了3年,“洗”了5年!這是人們期待已久的、事件視界望遠鏡 (EHT)團隊展示的,我們銀河系中心的巨大黑洞,即人馬座 A*的照片。從這個甜甜圈我們看到了些什麼?
主要特徵在預料之中。但並非所有現都與科學家預測的完全一樣,有些令人驚奇的發現。
與M87的黑洞照片十分類似,比較一下:1,銀河系的黑洞比 M87*小一千多倍,質量也小一千多倍,視角大小相當。2,我們有兩種完全不同類型的星系和兩種截然不同的黑洞質量,但靠近這些黑洞的邊緣,它們看起來驚人地相似。3,這一成就比 M87* 困難得多,儘管 Sgr A* 離我們更近。兩個黑洞附近的氣體以相同的速度移動(幾乎和光一樣快)。但是, M87* 大,氣體需要數天到數周才繞行一圈,而在小得多的人馬座 A* 中,它只需幾分鐘即完成一圈。這意味着 Sgr A* 周圍氣體的亮度和模式在觀察期間會迅速變化。M87* 是一個更容易、更穩定的目標,幾乎所有圖像看起來都一樣,但Sgr A* 黑洞的圖像是不同圖像的平均值。通過來自世界各地 80 個研究所的 300 多名研究人員的合作共同完成。Sgr A* 黑洞的圖像是 EHT 合作從 2017 年觀測中提取的數千張不同圖像的平均值。平均圖像保留常見特徵,抑制了不常出現的特徵。
×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××× 本人的科普視頻:YouTube: 天文航天:“談天說地” https://www.youtube.com/playlist?list=PL6YHSDB0mjBLmFkh2_9b9fAlN7C4618gK 趣味數學:數學大觀園 https://www.youtube.com/playlist?list=PL6YHSDB0mjBJifi3hkHL25P3K9T-bmzeA 也發在微信公眾號“天舸”上(微信號:gh_e01fc368fe31): 長按/掃一掃二維碼,敬請關注我的微信公眾號“天舸” ! ×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××× |
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