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我們從未見過黑洞視界的照片,。基于已知,，我們還有對照片有很多期望,。 幾百年來，物理學(xué)家們一直都在假設(shè)宇宙中應(yīng)該有黑洞存在,。如果足夠多的物質(zhì)聚集到足夠小的空間中,，引力就會強(qiáng)大到宇宙中沒有任何粒子，反粒子,，甚至連光都無法逃脫,。它們是根據(jù)牛頓和愛因斯坦的引力理論預(yù)測出的，天體物理學(xué)家經(jīng)過觀察選中了許多物體,，它們被認(rèn)為是潛在的黑洞,。 但我們以前從未見過視界:這是黑洞特有的特征，是任何東西都無法逃脫的黑暗區(qū)域,。2019年4月10日,，視界望遠(yuǎn)鏡合作項(xiàng)目將發(fā)布有史以來第一張視界圖像,。在這一重大發(fā)現(xiàn)前夕，我們的所知如下,。 銀河系中心的黑洞,，以及白色所示視界的實(shí)際尺寸。黑暗的視覺范圍是視界本身大小的250-300%,。圖源：UTE KRAUS, KRAUS物理教育集團(tuán), 希爾德斯海姆大學(xué); 背景: AXEL MELLINGER 黑洞是我們宇宙中由于速度極限的存在而不可避免地結(jié)果，至少理論上是這樣,。愛因斯坦的廣義相對論,，不僅將時(shí)空的結(jié)構(gòu)與宇宙中存在的物質(zhì)和能量聯(lián)系起來，也包含了物質(zhì)和能量如何在時(shí)空中運(yùn)動的內(nèi)在關(guān)系,。你在空間中運(yùn)動的越快,，時(shí)間的流動就越慢，反之亦然,。 但空間中的運(yùn)動與一個(gè)常數(shù)有關(guān)：光速,。在廣義相對論中，預(yù)測視界的物理尺寸,，也就是任何東西都無法逃脫區(qū)域的大小,，是由黑洞的質(zhì)量和光速決定的。如果光速更快或更慢,，視界的預(yù)測大小就會分別減小或增大,。如果光的速度無窮大，那根本就不會存在視界,。 LIGO和Virgo發(fā)現(xiàn)了新的黑洞群體,，它們的質(zhì)量比之前用X射線研究發(fā)現(xiàn)黑洞的質(zhì)量（紫色）要大得多。圖片展示了通過LIGO/Virgo探測到的全部十個(gè)確定的黑洞合并（藍(lán)色）,，以及觀測到的中子星間的合并（橙色）,。LIGO/Virgo，隨著靈敏度的提升,，從這個(gè)4月開始,，應(yīng)該每周都能檢測到多個(gè)合并。圖源：LIGO/VIRGO/西北大學(xué)/ FRANK ELAVSKY,。 【LIGO指Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, 即激光干涉引力波觀測臺,。Virgo是一臺由6個(gè)國家的20個(gè)實(shí)驗(yàn)室共同設(shè)計(jì)、建造和操作的引力波干涉儀,?！?/p> 從天體物理學(xué)的角度來看，黑洞的形成非常容易,。單在我們的銀河系中,，就應(yīng)該有數(shù)以億計(jì)的黑洞,。目前，我們認(rèn)為黑洞的形成機(jī)制有三種,，但可能有更多,。 1. 一顆大質(zhì)量恒星的死亡，它的核心比我們的太陽重得多,，富含重元素,，在自己的引力下坍縮。當(dāng)向外的壓力不足以抵消向內(nèi)的重力時(shí),，內(nèi)核會發(fā)生爆縮,。由此產(chǎn)生的超新星爆炸會在其中心產(chǎn)生黑洞。 哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的可視/近紅外照片顯示一顆大質(zhì)量恒星,，大約是太陽質(zhì)量的25倍,，幾乎在眨眼間就消失了，但并沒有超新星產(chǎn)生,。直接坍縮是唯一合理的解釋,。圖源：美國宇航局/歐洲航天局/C. KOCHANEK (俄亥俄州立大學(xué)) 2.大量物質(zhì)的直接坍塌，這些物質(zhì)可能來自恒星也可能來自氣體云,。如果足夠多的物質(zhì)同時(shí)存在于空間的同一位置上,，就可以直接產(chǎn)生一個(gè)黑洞，而不需要超新星或類似的災(zāi)變來觸發(fā)它的產(chǎn)生,。 3. 兩個(gè)中子恒星的碰撞,，這是除黑洞之外密度最大，質(zhì)量最大的物體,。如果通過吸積或者（更常見的）合并在其中一顆中子星上增加足夠的重量,，就會產(chǎn)生黑洞。 兩顆正在合并中子星的想象圖,。圖中的時(shí)空漣漪代表碰撞釋放出的引力波,，而這些狹窄的光束代表引力波釋放幾秒后伽馬射線噴流（也就是天文學(xué)家探測到的伽馬射線暴）。2017年觀測到中子星合并的結(jié)果就是黑洞形成,。圖源：美國國家科學(xué)基金會/ LIGO / 索諾馬州立大學(xué)/ A. SIMONNET 宇宙中已經(jīng)形成的恒星中,，有0.1%多一點(diǎn)最終會以這種形式變成黑洞。其中一些黑洞的質(zhì)量只有太陽的幾倍;其他的可以是它的數(shù)百倍甚至數(shù)千倍 但質(zhì)量更大的恒星會和那些超大質(zhì)量物體一樣,，當(dāng)它們經(jīng)過像星團(tuán)和星系這樣質(zhì)量的引力集合時(shí)：它們會通過質(zhì)量層化的天文學(xué)過程,，被吸入引力中心。當(dāng)多個(gè)物體聚集在一個(gè)引力勢阱中時(shí),，較輕的物體往往會獲得更多的動量并可能被彈射出去,，而較大的物體則會失去角動量并聚集在中心。在那里,，它們可以吸積物質(zhì),，合并,，增長，最終成為我們?nèi)缃裨谛窍抵行陌l(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量怪獸,。 此外,，黑洞并非孤立存在,，它存在于空間本身的混亂環(huán)境中,，其充滿了各種類型的物質(zhì),。當(dāng)物質(zhì)接近黑洞時(shí)，會受到潮汐力的作用,。任何物體靠近黑洞的部分都會受到比遠(yuǎn)離黑洞的部分更大的引力,，而任意一側(cè)凸起的部分都會感受到向物體中心的擠壓。 總而言之,，這會產(chǎn)生朝一個(gè)方向的一組拉伸力和其垂直方向上的一組壓縮力,，導(dǎo)致物體變得像意大利面條一樣。這個(gè)物體將被撕裂成組成它的粒子,。由于大量的物理特性和力學(xué)在起作用,，這將導(dǎo)致物質(zhì)聚集在黑洞周圍形成盤狀:吸積盤。 圖示是一個(gè)活躍的黑洞,，它吸積物質(zhì),，并加速其中一部分形成向外的兩個(gè)垂直噴流，這張圖片形象地描繪了類星體如何工作,。落入黑洞的物質(zhì),，無論其種類如何，都將導(dǎo)致黑洞的質(zhì)量和尺寸的額外增長,。盡管存在各種各樣的誤解,，但是黑洞并不是把物質(zhì)吸到自己本身的視界以內(nèi)，而是物質(zhì)在接近視界一定程度的時(shí)候,，黑洞的視界會擴(kuò)大,，就把物質(zhì)給包含進(jìn)去了。圖源：MARK A. GARLICK 形成吸積盤的粒子是帶點(diǎn)的,，它們圍繞黑洞周圍的軌道運(yùn)動,。當(dāng)帶點(diǎn)粒子運(yùn)動是,，它們會產(chǎn)生電磁場，而電磁場反過來會使帶電粒子加速,。這會導(dǎo)致一系列可觀測現(xiàn)象,，包括： 發(fā)射的光子頻率遍布整個(gè)電磁波譜，特別是無線電頻率,， 當(dāng)物質(zhì)落入黑洞時(shí),，在產(chǎn)生的較高能量中(例如在X射線中)會出現(xiàn)耀斑。 物質(zhì)與反物質(zhì)被加速形成與吸積盤垂直的噴射流,。 所有這些現(xiàn)象都在不同質(zhì)量和定向的黑洞上被觀測到,，這進(jìn)一步證實(shí)了它們的存在。 在銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞附近探測到了大量恒星,。除了我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的恒星,、氣體和塵埃意外，我們預(yù)計(jì)在距離人馬座A*只有幾光年的距離內(nèi)就會有超過10,000個(gè)黑洞,，但直到2018年早些時(shí)候,，要探測它們都十分困難。確認(rèn)中心黑洞是一項(xiàng)只有視界望遠(yuǎn)鏡才能完成的任務(wù),，它還可能探測到黑洞隨時(shí)間的運(yùn)動,。圖源：S. SAKAI / A. GHEZ / W·M·凱克天文臺 / 加州大學(xué)洛杉磯分校銀河中心組 此外，我們還觀察了候選黑洞周圍個(gè)別恒星以及恒星殘骸的運(yùn)動,，它們似乎是圍繞著大質(zhì)量物體運(yùn)動,，這種物體除了黑洞以外沒有別的解釋。例如,，在銀河系中心,，我們觀察了許多圍繞著被稱為人馬座A*的物體運(yùn)行的恒星，據(jù)推測,，它的質(zhì)量相當(dāng)于400萬個(gè)太陽,，并發(fā)射耀斑和無線電波，還顯示出正電子(反物質(zhì)的一種形式)被垂直噴射到銀道面上的特征,。 其他的黑洞也有許多相同的特征,，例如M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞，據(jù)估計(jì)它的質(zhì)量相當(dāng)于66億個(gè)太陽,。 三張圖片展示了M87星系中心,，地球上所見的第二大黑洞。盡管它的質(zhì)量相當(dāng)于66億個(gè)太陽,，它離我們的距離是人馬座A*的兩千倍,。視界望遠(yuǎn)鏡不一定可以確認(rèn)到它，但如果宇宙足夠仁慈的話，我們不僅可以得到它的圖象,，還可以得知X-射線發(fā)射能否為我們提供對黑洞質(zhì)量的準(zhǔn)確預(yù)測,。圖源：上方圖片，可視圖象,，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡/美國宇航局/Wikisky;下方左邊圖片,，無線電圖像，美國國家射電天文臺/超大射電望遠(yuǎn)鏡陣列(VLA),；下方右邊圖片,，X射線圖象，美國宇航局/錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡,。 最后,我們已經(jīng)看到許多其他觀測特征,，例如直接探測到相互盤旋和合并的黑洞產(chǎn)生的引力波，直接坍縮事件和中子星合并導(dǎo)致黑洞的產(chǎn)生,，以及被認(rèn)為由質(zhì)量和定向不同的黑洞引起的類星體,、亮星和微類星體的亮度變化。 有了視界望遠(yuǎn)鏡的重大發(fā)現(xiàn),，我們有充分的理由相信黑洞的存在,，它們符合廣義相對論，并被物質(zhì)包圍,，這些物質(zhì)加速并釋放輻射,，我們應(yīng)該能夠檢測到,。 活躍星系核的想象圖,。吸積盤中心的超大質(zhì)量黑洞向太空噴射出狹窄的高能量物質(zhì)噴流，噴流與吸積盤垂直,。一顆四十光年外的耀變體發(fā)射出很多最高能量宇宙射線和中微子,。只有黑洞外部的物質(zhì)能逃離黑洞；視界內(nèi)部的物質(zhì)則無法逃脫,。圖源：德國電子同步加速器研究所, 科學(xué)交流實(shí)驗(yàn)室,。 視界望遠(yuǎn)鏡的最大進(jìn)步就是觀測到視界本身。在那個(gè)區(qū)域內(nèi),，不該觀測到任何物質(zhì)以及輻射,。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該觀測到黑洞固有的一些微妙效應(yīng)，包括最內(nèi)部的圓形軌道大小應(yīng)該是視界的三倍,，以及由于被加速物質(zhì)的存在,，視界周圍應(yīng)該會發(fā)出輻射。 黑洞視界的第一張照片應(yīng)該可以回答很多問題,，你可以看看我們可能會從中學(xué)到什么,。但最大的進(jìn)步在于：它會以一種全新的方式來驗(yàn)證廣義相對論的預(yù)測。如果我們對引力的理解需要在接近黑洞時(shí)進(jìn)行修正，這次的觀測會為我們指明方向,。 到目前為止,，2018年初，兩種可能成功地匹配視界望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的模型,。兩者都顯示了一個(gè)偏離中心且不對稱的視界,，視界比史瓦西半徑更大，與愛因斯坦廣義相對論中的預(yù)測一致,。全圖尚未向公眾公布,，但預(yù)計(jì)將于2019年4月10日發(fā)布。圖源：R.-S. LU 等人,，天體物理學(xué)雜志859卷,。 數(shù)百年來，人類一直期待著黑洞的存在,。在我們的一生中,，我們收集了一整套證據(jù)，不僅證明了它們的存在,，而且證明了它們預(yù)期的理論性質(zhì)與我們所觀察到的驚人地一致,。但也許這當(dāng)中最重要的預(yù)測，也就是關(guān)于視界的存在和性質(zhì)的預(yù)測,，則并沒有直接被證實(shí)過,。 在全世界數(shù)以百計(jì)望遠(yuǎn)鏡的實(shí)時(shí)觀測下，基于實(shí)際數(shù)據(jù),，科學(xué)家們已經(jīng)完成了地球角度觀察到最大黑洞的重構(gòu)圖像：銀河系中心400萬倍太陽質(zhì)量的怪獸,。我們在4月10日所見要么會進(jìn)一步證實(shí)廣義相對論，要么會顛覆我們對引力的認(rèn)知,。全世界都滿懷期待,。 FY:超凡泰迪熊 作者：Ethan Siegel 如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請于三十日以內(nèi)聯(lián)系作者刪除 轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán),，并注意保持完整性和注明出處 翻譯：天文志愿文章組-超凡泰迪熊 審核：天文志愿文章組- 終審：天文志愿文章組- 排版：天文志愿文章組-零度星系 美觀：天文志愿文章組- 參考資料 1.WJ百科全書 2.天文學(xué)名詞 3.原文來自：https:///starts-with-a-bang/this-is-what-we-know-about-black-holes-in-advance-of-the-event-horizon-telescopes-first-image-bdab908c7c83 本文由天文志愿文章組-超凡泰迪熊翻譯自Ethan Siegel的作品,，如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請于三十日以內(nèi)聯(lián)系運(yùn)營者刪除,。 |
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銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞,，人馬座A*，當(dāng)物質(zhì)被吞噬時(shí),，就會發(fā)出明亮的X射線,。在其他波長的光線中，從紅外線到無線電,，我們可以看到星系最內(nèi)部的單個(gè)恒星,。圖源：X射線: 美國宇航局/馬薩諸塞大學(xué)/D.WANG ET AL., 紅外線: 美國宇航局/太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所。
