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地球最近,肉眼可见的“隐身”黑洞,科学家是怎么发现的?

。“隐身”黑洞如同大海中的暗礁,谁也不想跑着跑着跑没了。

2019年人类第一次拍摄到的黑洞是这样的:

M87星系黑洞,凑俩组个笑脸

别看它像个蜂窝煤,这已经很好了,我们还能见点亮,而我们这次发现的,离地球最近的黑洞是这样子的:

图片没显现?不太清楚?太黑了?上错图了?是的,它就是这样的!它隐身了!我们一会把它揪出来。

在宇宙航行,如果感受不到它的引力,很容易走着走着就走没了。其实我们拍摄到的M87黑洞也不是黑洞的真身,黑洞本身就是看不到的,是黑洞外围的气体和尘埃构成的吸积盘,衬托出了黑洞,让我们知道它在那,而真正的黑洞是中心那个黑暗的洞洞,并且吸积盘的尺寸或许也不对!这有一点是这张二维图片难以反应出黑洞的三维形状。

黑洞在白圈内

最古老的时候,学者们认为黑洞如同一个黑色的盘子遮住了它后面的星光,而这个盘子黑色的原因是光无法从中逃离,没有光子进入到我们眼球中,就像一个天黑了不开灯,伸手不见五指。不同的是,天黑了是我们所处环境四周没有光的反射,而黑洞的黑只是黑洞所在区域没有光的反射,所以那个区域在我们看来一片漆黑,我们把这个区域叫做视界,即视觉的界限。因此,黑洞最早以前在人们心中是这样的:

古老过渡简洁的黑洞,这个盘子并非是二维的,从任意角度去看它,它都是一个盘子

随着爱因斯坦广义相对论的发表,爱丁顿在日食观察到太阳使远处星光的发生偏转,证明了它,从此我们便知道引力是质量使时空发生弯曲,因此对黑洞的印象我们又要改变一下:

匹配上时空曲率的黑洞背景,引力透镜效应

黑洞质量大,周围空间极度扭曲,使光线偏转,会形成引力透镜效应,背景的光线会被弯曲,抻开。更大的区别在于黑洞并非遮住了背景的星空,而是通过扭曲的时空把它后面的星空背景翻转了过来(下面会详细说),这就如同一张面皮下有一个小黑球硬是把面皮顶破了,钻了出来,它周围的面皮都发生了形变。

我们拍摄到的黑洞是超大质量黑洞,它是65亿颗太阳的浓缩体,具有较大的吸积盘,5500万光年,真身大概是这样的:

超大质量黑洞

实际上,我们到目前为止都没有观察到黑洞向外释放霍金射线(上图那两条射流)。我们之所以能拍摄到M87黑洞是因为吸积盘上的大量的带电粒子,并且我们集结了地球上多国大量射电望远镜,而它本身只有整张照片中半个像素点大小,由此科学家历时两年分析才得到这个黑洞。如果你细看我们拍摄到黑洞你会发现上半部分亮度和下半部分亮度似乎不均匀。

M87黑洞

这是因为黑洞自转,吸积盘上的物质也围着黑洞高速旋转,我们与吸积盘有17度的倾斜角,因此前端与后端就有了距离差,下面较亮的区域是因为粒子快速向我们驶来,上方略暗的区域是因为粒子快速离我们而去,由于光的多普勒效应,所以出现了这样的情况。当吸积盘正对着我们时,“光圈”就不会发生这种情况,我们也能光看到正对着我们的中心黑洞的形状和大小。

那么如果一个黑洞太小以至于背景扭曲范围太小不易观察,它也没有吸积盘,隐藏在漆黑的星空之中,我们又没办法近距离用引力探测器探测它,我们如何发现它?

最近的黑洞

最近天文学家发现了一件奇怪的事情,在据我们1000光年的位置,有两颗恒星绕着“空气”旋转,它们受谁的引力支配。

轨道效果

科学家通过分析恒星的质量大小,旋转的速度以及轨道半径,判断出应该存在一种“暗物质”,它的质量是太阳的四倍,这个看不见的物质必然是黑洞。只是因为这个黑洞没有吸积盘,质量和视界太小,我们很难观察到。

HR 6819是一个三星系统,科学家用效果图标注了黑洞与恒星的轨迹,由恒星(蓝轨)和黑洞(红轨),以及远处一颗恒星组成。

科学家推测在广阔的银河系中可能存在1~10亿个这种小质量的恒星级黑洞。一般情况下我们看不见它,除非它在吞噬其他天体或者是在我们观测时刚好附近天体掉落进去我们才可以显现它。

黑洞吞噬地球

黑洞是由大质量恒星燃料耗尽,抵挡不了引力的作用,坍缩成一个奇点而形成的。在黑洞没有形成之前这个系统应该是一个三星系统,由于质量越大引力也越大,核聚变反应更加剧烈,所以“死”得更快,好在剩下的两颗轨道极其扭曲的恒星距离较远,没有被吞噬进去,否则我们真的就发现不了它了。

黑洞的演化

恒星级的黑洞质量都较小,并且越小的黑洞中时空曲率越大,这次发现的黑洞根据推算视界直径可能只有40公里,是人类目前发现最小的黑洞之一。

在南半球,这是一个肉眼可见的系统,有去南半球旅游的朋友可以在5月份到9月份之间看到它。

1000光年的HR6819

总结

我们观察到的黑洞越多,积累的经验就越大,用过对方法和技术不断改良,我们可能会一次次刷新离我们最近黑洞的记录,它如同大海中的暗礁。“隐身”黑洞的发现是我们未来的星际航行的基石,谁也不想跑着跑着跑没了。

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