什麽樣的洞可以算是黑洞?
妳查壹下天文術語詞典,肯定知道黑洞是廣義相對論預言的天體,但後來被證實存在,人類拍攝的第壹張照片發表於19年4月!但更準確地說,早在愛因斯坦發表廣義相對論之前1891年,天文學家就拍攝到了後來被證實為巨型黑洞的OJ 287宿主星系。
這個距離我們35億光年的黑洞被另壹個黑洞圍繞著它旋轉,每次經過吸積盤都會引起劇烈的光度變化。這是壹顆早期被認為是變星的類星體,後來被歸類為天蠍座的BL狀天體。當然,關於OJ 287我們就不說廢話了,壹開始我們也不知道。讓我們認真看看:
黑洞是怎麽來的?
當壹個天體的質量超過其自身的引力支持極限時,就會坍縮成奇點。史瓦西早已計算出天體坍縮的尺度,即當壹個天體的直徑小到足以包圍光速而不至於從表面脫落時,必然會形成黑洞,但史瓦西度規並不是天體形成黑洞的自然條件,而是人為條件!
真正的自然條件是《奧本海默》極限,即天體質量超過引力支撐極限時的質量,約為太陽質量的3.2倍。當然,這並不是說質量超過太陽3.2倍的恒星就會誕生黑洞,而是指沒有輻射壓力的天體,比如中子星,可以靠自身重量直接坍縮成黑洞!
恒星黑洞都是在超新星爆發中形成的,但不是必要條件。
黑洞形成過程
下面簡單說說恒星黑洞的形成。在主序星階段,恒星有很強的輻射壓力,支撐著殼層的引力,所以是和平的。當內核中的燃料耗盡,無法再支撐外殼時,那麽內核就會達到電子簡並的極限,坍縮成白矮星。如果質量足夠大,就會達到中子簡並的極限,坍縮成中子星。如果超過中子簡並度,中心就是黑洞。
除了恒星黑洞,還有原始黑洞,它們是由BIGBANG的初始質量密度坍縮直接造成的。制造黑洞似乎沒有第三條路,但黑洞可以合並成超大黑洞。
如何描述黑洞?
黑洞不是洞,它是三維空間中引力極度扭曲的空間,所以如果要在二維平面上表示黑洞,用洞來表示無疑是最合適的,因為公眾可以直接理解!
但是真正的黑洞需要用三維或者動態的圖來表示,否則可能會有理解上的偏差,比如下面的網狀立體圖,可以直觀的識別三維空間:
所以,叫黑洞是最合適的,也是最不合適的!
我們如何觀察黑洞?
引力大到連光都逃不掉,所以我們無法直接從可見光波段看到黑洞,但黑洞的超喪特性還是能讓天文學家發現,始作俑者也是大家看不到的引力!
黑洞吸積盤
因為黑洞的超引力,會形成壹個巨大的塵埃吸積盤,除非它周圍什麽都沒有,所以只要觀察它周圍的巨大吸積盤就可以了!
當然,白矮星和中子星的周圍也會存在吸積盤,但理論上黑洞的引力梯度會使白矮星和中子星逐漸爆炸,所以兩者發射的電磁波波段是不同的,因為吸積盤的壓縮。相比較而言,黑洞的X射線更強,所以錢德拉硬X射線望遠鏡原則上可以發現黑洞。硬X射線是能量較高、波段較短的X射線。
第壹個黑洞天鵝座X-1和銀核黑洞Sgr A*就是這樣被發現的,2013年也觀測到了銀核黑洞吞噬物質時形成的X射線耀斑!
錢德拉X射線太空望遠鏡發現的銀心附近的許多X射線源。
相對論噴流
這是帶有吸積盤的黑洞的另壹個特征。估計我們很難探測到遙遠黑洞吸積盤發出的微弱輻射,除非相對論噴流對準地球。相對論噴流是中心恒星吸積盤表面的磁場沿著恒星旋轉軸的方向扭曲並向外發射,壹般向外發射的噴流會在吸積盤兩側形成。如果噴流的方向正好朝向地球,那麽就可以觀測到強大的輻射。
M87噴氣式飛機
比如19年4月拍攝的M87星系中心的黑洞,有壹個著名的相對論噴流,甚至比星系還著名,在M87的很多照片中都可以隱約看到。這些噴流由電子、正電子和質子組成,是宇宙中速度最快的天體之壹,但對其具體成因仍有很大爭議。
引力透鏡
引力透鏡其實是廣中預言的光線彎曲的產物,會形成類似透鏡的效果,放大黑洞後面的天體。當然,這樣篩選黑洞是非常困難的,因為黑洞剛好從它後面的天體旁邊經過的時候機會並不多,而且它的結構太小,所以效果非常不明顯!
黑洞以銀河系為背景穿過的有趣現象是引力透鏡效應。
但是整個星系的透鏡效應會更強,而且從發現第壹個引力透鏡開始,天文學家就在宇宙中發現了大量的引力透鏡效應,而且種類繁多!
哈勃太空望遠鏡獲得的21顆超重力透鏡候選者的圖像數據。
重力波
引力波是質量變化引起的時空漣漪,黑洞合並或者中子星合並都能產生引力波,但是用它們來觀測黑洞的存在或者單個黑洞的懸崖是極其困難的,但是誰又能保證未來的技術能達到這個水平呢?畢竟質量運動也能產生引力波,只是我們現在很難觀測到!
霍金輻射
霍金輻射只能是呵呵,是基於量子效應理論的黑洞發出的壹種熱輻射。物理學家史蒂文?霍金在1974提出了這個概念。2008年6月,美國國家航空航天局發射了GLAST衛星,專門用於搜尋蒸發黑洞。射線的閃光,但到目前為止,霍金輻射還沒有得到驗證。
所以到現在為止,可以嗎?直接?看到黑洞的方式還是第壹種,就是吸積盤產生的兩種效應,探測X射線輻射和相對論噴流,但是對於大多數黑洞來說,相對論噴流沒有那麽強大,所以主要探測X射線輻射,輔以附近天體的擾動。