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黑洞是什麼?你想看到黑洞吃零食的樣子嗎?

黑洞是什麼?你想看到黑洞吃零食的樣子嗎?


恆星發光物質流被超大質量黑洞吞噬時被撕成碎片。 餵食黑洞被灰塵包圍,像孩子飯後被面包屑包圍

黑洞(black hole)是時空展現出極端強大的引力,以致於所有粒子、甚至光這樣的電磁輻射都不能逃逸的區域。廣義相對論預測,足夠緊密的質量可以扭曲時空,形成黑洞。

最早在18世紀,約翰·米歇爾和皮耶-西蒙·拉普拉斯就考慮過引力場強大到光線都無法逃逸的物體。1916年,卡爾·史瓦西發現了第一個能用來表徵黑洞的廣義相對論精確解,然而大衛·芬克爾斯坦(英語:David Finkelstein)在1958年才首次發表史瓦西解做為一個無法逃脫空間區域的解釋。長期以來,黑洞一直被認為僅僅來自數學上的好奇。在20世紀60年代,理論工作顯示這是廣義相對論的一般預測。約瑟琳·貝爾·伯奈爾在1967年發現中子星,激發了人們引力坍縮形成的緻密天體可能是天體物理中的實體的興趣。

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黑洞的事件視界光環和光子捕獲區引力的放大視覺影像

預期恆星質量的黑洞會在恆星的生命週期結束的坍塌時形成。黑洞形成後,它可以經由吸收周邊的物質來繼續生長。透過吸收其它恆星並與其它黑洞合併,可能形成數百萬太陽質量的超大質量黑洞。人們一致認為,大多數星系的中心都存在著超大質量黑洞。

黑洞的存在可以透過它與其它物質和電磁輻射的互動作用推斷出來。落在黑洞上的物質會因為摩擦加熱而在外圍形成吸積盤,成為宇宙中最亮的一些天體。如果有其它恆星圍繞著黑洞執行,它們的軌道可以用來確定黑洞的質量和位置。這種觀測可以排除其它可能的天體,例如中子星。經由這種方法,天文學家在許多聯星系統確認了黑洞候選者,並確定銀河系核心被稱為人馬座A*的電波源包含一個超大質量黑洞,其質量大約是430萬太陽質量。

在2016年2月11日,LIGO科學合作組(LIGO Scientific Collaboration)和Virgo合作組宣佈第一次直接觀測到引力波,這也代表第一次觀測到黑洞合併[13]。迄2018年12月,已經觀測到11件引力波事件(List of gravitational wave observations),其中10件是源自黑洞合併,只有1件是中子星碰撞。在2019年4月10日,首次釋出了黑洞及其附近的第一張影像:使用事件視界望遠鏡在2017年拍攝到M87星系中心的超大質量黑洞。

2021年亞利桑那大學的天文學家透過分析 X 射線耀斑的觀測結果並將資料與理論模型進行擬合,記錄了一顆不幸的恆星與一箇中等質量的黑洞之間的致命相遇。

雖然黑洞和蹣跚學步的孩子似乎沒有太多共同點,但它們在一個方面卻非常相似:兩者都是亂七八糟的食客,有充分的證據表明已經進餐了。

但是,雖然一個人小孩吃飯時,可能會留下義大利麵的殘渣或酸奶,但對應宇宙來說可能會造成令人難以置信的災難。當黑洞吞噬一顆恆星時,它會產生天文學家所說的“潮汐破壞事件”。這顆倒黴的恆星的破碎伴隨著輻射的爆發,這種輻射可以在數月甚至數年內比黑洞宿主星系中每顆恆星的總光亮。

在《天體物理學雜誌》上發表的一篇論文中,由亞利桑那大學管家天文臺博士後研究員文思祥領導的一組天文學家使用稱為 J2150 的潮汐破壞事件發出的 X 射線對黑洞的質量和自旋。這個黑洞屬於一種特殊型別——中等質量的黑洞——長期以來一直沒有被觀察到。

亞利桑那大學天文學教授、論文合著者安·扎布魯多夫 (Ann Zabludoff) 說:“我們能夠在它吞噬一顆恆星時捕捉到這個黑洞,這為觀察原本不可見的東西提供了絕佳的機會。” 透過分析耀斑,能夠更好地瞭解這種難以捉摸的黑洞類別,它很可能占星系中心黑洞的大部分。”

透過重新分析用於觀察 J2150 耀斑的 X 射線資料,並將其與複雜的理論模型進行比較,作者表明這種耀斑確實起源於一顆不幸的恆星和一箇中等質量的黑洞之間的相遇。所討論的中間黑洞質量特別低——對於一個黑洞來說——重量大約是太陽質量的 10,000 倍

死星碎片形成的內盤的X射線發射使我們有可能推斷出這個黑洞的質量和自旋,並將其歸類為中間黑洞

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當恆星離黑洞太近時,引力會產生強烈的潮汐,將恆星分裂成一股氣流,導致潮汐破壞事件的災難性現象。

在擁有超大質量黑洞的大型星系中心已經觀察到數十次潮汐破壞事件,在可能包含中間黑洞的小星系中心也觀察到了少數潮汐破壞事件。然而,過去的資料從來沒有詳細到足以證明單個潮汐破壞耀斑是由一箇中間黑洞驅動的

研究合著者、希伯來大學高階講師尼古拉斯·斯通 (Nicholas Stone) 說:“多虧了現代天文觀測,我們知道幾乎所有大小與銀河系相似或更大的星系的中心都擁有中央超大質量黑洞。”耶路撒冷。 “這些龐然大物的大小從我們太陽質量的 100 萬到 100 億倍不等,當過多的星際氣體落入它們附近時,它們就會成為強大的電磁輻射源。”

這些黑洞的質量與其宿主星系的總質量密切相關。最大的星系擁有最大的超大質量黑洞

我們對比銀河系還小的星系中心是否存在黑洞知之甚少,由於觀測限制,發現遠小於 100 萬個太陽質量的中心黑洞具有挑戰性。儘管推測它們數量眾多,但超大質量黑洞的起源仍然未知,目前許多不同理論都在爭相解釋它們。中等質量黑洞可能是超大質量黑洞生長的種子。

如果我們能夠更好地瞭解有多少真正的中間黑洞存在,就可以幫助確定哪些超大質量黑洞形成理論是正確的。

根據最小報到,科學家已經能夠獲得的 J2150 旋轉的測量值。自旋測量提供了關於黑洞如何生長的線索,也可能是粒子物理學的線索。這個黑洞的自轉速度很快,但不是最快的自轉,並提出了一個問題,即黑洞最終如何在這個範圍內自轉。測量的自旋不包括黑洞在很長一段時間內因穩定地攝入氣體或從隨機方向到達的許多快速氣體零食而增長的情況。

此外,自旋測量允許天體物理學家測試關於暗物質性質的假設暗物質被認為構成了宇宙中的大部分物質。暗物質可能由實驗室實驗中尚未發現的未知基本粒子組成。候選粒子包括被稱為超輕玻色子的假想粒子

如果這些粒子存在並且質量在一定範圍內,它們將阻止中等質量的黑洞快速旋轉,然而 J2150 的黑洞正在快速旋轉。因此,我們的自旋測量排除了一大類超輕玻色子理論,展示了黑洞作為外星粒子物理學實驗室的價值

研究人員希望在未來對潮汐破壞耀斑的新觀測可能會讓天文學家填補黑洞質量分佈的空白。

如果事實證明大多數矮星系都包含中等質量的黑洞,那麼它們將主導恆星潮汐破壞的速度。透過將這些耀斑的 X 射線發射與理論模型進行擬合,我們可以對宇宙中的中等質量黑洞人口進行普查。

然而,要做到這一點,必須觀察到更多的潮汐破壞事件。這就是為什麼天文學家對地球和太空中即將上線的新望遠鏡寄予厚望,其中包括 Vera C. Rubin 天文臺,也稱為時空遺產調查,或 LSST,以及中國的天眼預計將發現數千個潮汐每年的中斷事件。

分類: 科學
時間: 2021-09-19

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