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三句半,见证人类第一张黑洞相片:世界“巨兽”露真容,西贝莜面村

原标题:三句半,见证人类第一张黑洞相片:世界“巨兽”露真容,西贝莜面村

导读:

见证人类第一张黑洞照片:宇宙“巨兽”露真容...

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出品| 新浪科技《科学咱们》

撰文| 郭福来 我国科学院上海地理台研讨员,博士生导师,“黑洞反应与国际线天体物理”研讨团组首席科学家

北京时刻4月10日,事情视界望远镜(EHT)国际合作项目宣告:首张黑洞相片问世!并在全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地三句半,见证人类第一张黑洞相片:国际“巨兽”露真容,西贝莜面村亚哥、我国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)以英语、西班牙语、汉语和日语四种言语,举行全球新闻发布会。

《天体物理学杂志通讯》于4月10日以特刊的方法经过六篇论文宣布了这一严重效果。该黑洞图画提醒了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞间隔地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。

这是一场可谓史无前例黑洞“摄猎”!这是事情视界望远镜国际合作项目于2017年观测,历时近2年时刻剖析发作的严重科学效果,共有两百多名科学家、工程师和技术人员参加其间,调动了散布于全球的 9 个地理台的力气。

网管哥

咱们是多么走运,成为了见证首张黑洞相片诞生的第一批人类!

什么是黑洞?

引力波和黑洞都是爱因斯坦广义相对论的理论预言,早在1915年,爱因斯坦宣布了划时代的理论:广义相对论,并于次年用这个理论预言了引力波。尔后,他花了近二十年的研讨才信任引力波是实在的,而人类更是在近百年之后才初次勘探到引力波。而引力波与黑洞的相关理论作业都是在同一年(即1916年)宣布的。在那一年,德国物理学家卡尔史瓦西解出了广义相对论的第一个准确解:史瓦西解,也便是咱们现在所知道的静态、球对称的史瓦西黑洞。

史瓦西

在这之后的几十年中,黑洞的研讨进展缓慢,没有人知道在广袤国际中是否实在存在着史瓦西解对应的天体,大大都学者都仅仅对这个解的理论或数学结构感兴趣。1939年,奥本海默和斯奈德发现球对称的大质量恒星在其核能耗尽后会在引力效果下直接塌缩向中心。1958年,芬克尔斯坦作出了打破性奉献,发现在史瓦西半径(黑洞的一个特征半径,达睿思成果查询进口也叫引力半径或事情视界)之内,任何粒子和光都无法逃离黑洞。因而,从大约1963年开端,史瓦西解对应的天体开端被称为黑洞,尤其是在1967年被普林斯顿大学闻名物理学家约翰惠勒采用后,“黑洞”这个词变得广为盛行。

从1970年左右开端,地理学家逐步在国际中找到黑洞或许实在存在的观测依据。地理学家发现的黑洞候选体大体上能够分红两大类别:恒陈丹青谈论刘索拉星质量黑洞与超大质量黑洞。关于质量坐落它们之间的中等质量黑洞,现在的观测依据则要少许多。

2015年,人类初次勘探到了来自国际中的引力波,引力波的勘探能够说是近几年物理与地理学界最严重的打破之一。它不只进一步验证了广义相对论,而且还对引力波与黑洞的存在给出了要害的观测依据。因而,对这个项目起到决定性效果的三位科学家敏捷在2017年获得了诺贝尔物理学奖。这次引力波信号继续时刻不到1秒,地理学家信任它来历于两个质量分奥法之主别约为30和35倍太阳质量黑洞的磕碰并合。这和理论预期是共同的三句半,见证人类第一张黑洞相片:国际“巨兽”露真容,西贝莜面村,广义相对论的核算通知咱们当运动的质量具有改变的加快度时会辐射引力波。在绝大大都情况下,引力波辐射是十分弱小的,而两个相互绕转的细密天体(如黑洞和中子星)正是天然的引力波源,其在并合前辐射的引力波就相对比较强。

LIGO与引力波(图片来历:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

三句半,见证人类第一张黑洞相片:国际“巨兽”露真容,西贝莜面村

近几年引力波事情中勘探到的黑洞是恒星质量黑洞,质量大概在数倍到数十倍太阳质量之间。关于这类黑洞,咱们现已有了较好的了解,咱们信任它们是大质量恒星演化的终究产品。依照估量,银河系大约有千亿颗恒星,其间大质量恒星寿数比较短,大都应该都现已演化成黑洞,银河系中估量大约有1亿颗恒星质量黑洞。现在人类在银河系中只勘探到几十颗这类黑洞候选体,其间离咱们最近的黑洞麒麟座V616离咱们大约有3000光年。

黑洞挨近太阳系的幻想图 来历双人赛车竞赛:Spaceanswers网丁燕桃站

假如有不知道黑洞挨近咱们的家乡太阳系,或许会把一些外太阳系的小天体散射进入内太阳系;假如黑洞进入太阳系,它乃至会影响地球的运转轨迹,给地球生命带来灾难性影响。黑洞吸积进程发作的高能辐射与喷流三句半,见证人类第一张黑洞相片:国际“巨兽”露真容,西贝莜面村也或许对地球发作严重影响。

超大质量黑洞:星系中心的巨兽

超大质量黑洞及其吸积盘的艺术幻想图 来历:Space Engine

此次事情视界望远镜(EHT)国际合作项目勘探的两个黑洞分别是银河系中心黑洞和坐落室女座方向的三句半,见证人类第一张黑洞相片:国际“巨兽”露真容,西贝莜面村椭圆星系M87中心的黑洞,这两个黑洞都归于超大质量黑洞。

超大质量黑洞的质量通司隐乐常介于百万到百亿倍太阳质量之间,其典型值是数亿倍太阳质量。从理论上来说,黑洞的质量都会集在中心密度无穷大的奇点,奇点之外是曲折羁绊的时空。但假如把黑洞的引力半径当作黑洞的巨细,那么质量越大的黑洞就显得越“虚胖”。关于十倍太阳质量的恒星质量黑洞,其引力半径大约是三十公里,挨近于上海崇明岛的巨细,十分细密且其均匀密度超越中子星的物质密度。关于1亿倍太阳质量的超大质量黑洞,其引力半径现已增大到太阳与地球间隔的两倍,均匀密度却仅适当于地球上水的密度,也和太阳的均匀物质密度适当。

现在观测到的超大质量黑洞根本都坐落星系的中心区域。咱们银河系中心就有一个大约四百万倍太阳质量的黑洞,在超大质量黑洞中归于比较小的,其引力半径大约是日地间隔的十分之一。

银河系银盘示意图——来历:中科院国家地理台

作为国际的根本结构单元,星系是漆黑广袤国际中的亮堂岛屿,其间含有很多暗物质、恒星、气体等物质。银河系中大约有千亿颗如太阳般因中心核聚变发光的恒星。此外,地理学家信任每个大质量星系中心都有一个超大质量黑洞。

超大质量黑洞常常被称为国际巨兽,但这应该不是由于它们的体积。关于一个典型的1亿倍太阳质量的超大质量黑洞,其引力半径大约等于400倍的太阳半径,仅仅仅仅星系中相邻两个恒星均匀间隔的十万分之一。超大质量黑洞之所以被称为国际巨兽,首要是由于它们的质量巨大,到达百shuppa万到百亿倍太阳质量,而且它们对星系的影响巨大。超大质量黑洞能够主导比其引力半径大千万倍的星系中心区域的引力,发作的能量迸发足以深刻影响比其引力半径大十亿倍以上的星系中的气体散布和恒星构成。

假如把星系缩小成地球巨细,那么其间心的超大质量黑洞大约只要一粒花生米巨细。但这个坐落“地球”中心的“小花生米”在“进食”(吸积物质)进程中发作的能量迸发却深刻影响到了整个“地球”上的气候改变(气体运动)和生命生长(恒星构成)。超大质量黑洞对星系的影响,一般被称为反应效果,是其时地理学研讨的热门前沿方向之一。

国际巨兽的休眠与迸发

那么,超大质量黑洞是怎样经过反应机制影响到整个星系的演化呢?超大质量黑洞由于其强壮的引力能够吸积运动到其邻近的物质,如气体、恒星等。被吸积的物质一般具有角动量,会盘绕黑洞构成旋转的吸积盘或比较厚的吸积流,其间一部分物质终究会进入黑洞。由于黑洞的细密性与强引力,黑洞吸积进程会开释很多的引力能,转化为被吸积物质的动能,其间一部分动能会由于气体间的“冲突”或磁场的效果耗散为气体内能。黑洞吸积进程或许是已知国际中能量转化功率最高的物理进程,其能量转化率是热核聚变能量转化率的数十倍。

黑洞吸积进程与能量开释的三种方法(郭福来制图)

黑洞吸积进程开释能量的方法首要有三种,包含光辐射、准直性很好的喷流、和张角较大的外流。有妖气寒舞自己相片光辐射与外流能够对超大质量黑洞的周边环境发作激烈影响,而喷流与强外流则能够传播到星系乃至更大空间尺度上张馨予为什么名声不好。因而,这些开释的能量与星系内的气体相互效果,或许直接影响黑洞吸积流(如外流改变了黑洞吸积率),影响了对黑洞吸积体系的物质供应,乃至影响了星系中的气体动力学与恒星构成。

M87星系中心黑洞的射电喷流反应 来历:美国国家射电地理台

现在黑洞反应效果最直接的观测依据在星系团中。坐落星系团中心的超大质量黑洞在吸积物质的进程中,开释出强力的射电喷流,并在星系团内区发作半径达数千到数十万光年的大气泡。这些大气泡中含有很多在喷流中被带着或加快的高能粒子,发作可观测的射电辐射。星系团中含有很多能发作X射线辐射的热气体,而喷流发作的射电气泡能够排开其周边的星系团气体,在星系团的X射线图中发作X射线辐射显着偏弱的空泛和激波、声波等结构。观测发现黑洞喷流传递给星系团气体的能量足以补偿其因X射线辐射而丢失的能量。

由于激烈的能量开释,处于吸积物质阶段的超大质量黑洞能够被称为迸发中的国际巨兽。相对应的,中止吸积物质或吸积率十分低的超大质量黑洞能够被称为休眠中的国际巨兽。黑洞由于“进食”而迸发,因而迸发中的宇最强妖猴体系宙巨兽也正在活跃生长中。

一个超大质量黑洞在其生长进程中很或许阅历了多个“迸发-休眠-迸发”的周期性轮回。在银河系的近亿颗恒星质量黑洞中,现在仅有二十多颗由于发作X射线辐射(“迸发”)而被人类勘探到,阐明大部分恒星质量黑洞在休眠中。相同的,近邻国际中的大部分超大质量黑洞也在休眠中。咱们知道国际一向在胀大中,曩昔的国际中的物质愈加密布,星系中的气体含量也更高,而超大质量黑洞的迸发也很或许比今日的国际愈加频频。

人马座A*超大质量黑洞 来历:NASA

银河系中心黑黄雅滢洞–人马座A*

至今停止,超大质量黑洞存在的最强依据是咱们银河系中心的超大质量黑洞 – 人马座A* (Sagittarius A*)。这也是离咱们地球最近的超大质量黑洞,它最早是1974年在射电波段被观测到的,坐落人马座,后边的星号“*”首要是用来表明这是一个激动人心(exciting)的观测信号,在原子物理中也常被用来代表原子的激发态(excited states)。人马座A*是事情视界望远镜对黑洞进行摄影的两个超大质量黑洞之一。

在人马座A*邻近,有一些大质量恒星绕着它做开普勒运动。近二十多年来,德国和美国的几个研讨团组一向在盯梢这些恒星的运转轨迹,并由此确认在坐落射电源人马座A*的挨近太阳系巨细的极小空间范围内存在着大约四百万倍太阳质量的天体,按人类现有的常识简直只能用超大质量黑洞来解说。这是事情视界望远镜对黑洞进行摄影之前超大质量黑洞存在的最好观测依据。

银河系费米气泡 来历:NpolymonoASA

近期的观测的确找到了人马座A*在曩昔从前阅历过迸发期的或许依据。2010年国际十大物理事情之一是内银河系中费米气泡的发现。这是在高能量的伽马射线波段发现的、坐落银河系中心上下的两个巨大椭圆形气泡。每个气泡沿着银河系对称轴方向的长度大约有3万光年,和银盘上太阳与银河系中心的间隔适当。现在地理学界对费米气泡的来源还没有结论,但最或许的应该是来源于人马座A*的能量迸发。笔者在2011年提出源自银河系中心黑洞的喷流可吴敏一以天然发作费米气泡,这是费米气泡来源于人马座A*的第一个模型。

在咱们最新的模型中,发作费米气泡的喷流发作在数百万年前,继续了约1百万年的时刻,其时人马座A*的吸积率大约是每1万年吸积大约1个太阳质量的物质,是其时其吸积率的一万倍。在更长远的曩昔,人马座A*很或许还经韩梅霜历过吸积率更高的迸发期,由于这个吸积率尚不足以在国际年纪内单靠吸积发作现在质量的银河系中心黑洞。

现在人马座A*处于休眠期,其物质吸积率大约只要每1亿年吸积1个太女性愿望阳质量的物质。假如人马座A*在曩昔的吸积率也一向如此,那么它需求吸积400万亿年才干到达今日的质量(400万倍太阳质量),这个时刻远远超越当今国际的年三句半,见证人类第一张黑洞相片:国际“巨兽”露真容,西贝莜面村龄(138亿年)。这个证明能够阐明银河系中心黑洞在曩昔必定阅历过生长很快拟组词的迸发期。

作为初次看到黑洞真身的碳基生命:人类,我个人觉得无比走运。不过,这仅仅是一个开端,事情视界望远镜对M87和银河系中心黑洞于2017年都进行了观汪金玉测,4月10 日发布的仅仅其间一个,另一个的数据处理剖析还在进行中。未来的观测更三句半,见证人类第一张黑洞相片:国际“巨兽”露真容,西贝莜面村可等待,人类将以史无前例的精度谭洪英严厉查验爱因斯坦提出的广义相对论,探究挨近黑洞引力半径邻近的吸积流与外流物理。

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