快捷搜索:  as  xxx  test  as1111111111111

在黑洞现出“真身”之前,科学家怎样证明它是真的存在?_奥义秘密网

在黑洞照片公布之前,黑洞不停都在我们的假想中。诺兰的《星际穿越》环抱着时空繁芜、黑洞潮汐力、负能量物质大年夜大开脑洞,这些假想都是因为我们无法真正察看到黑洞!那么为何科学家会断定黑洞的存在呢?到底有哪些证据呢?

出品:''SELF格致论道讲坛''大年夜夷易近众号(ID:SELFtalks)

以下内容为中国科学院上海地舆台左文文陈诉实录:

2019年4月10日,科研人员发布了首张人类捕获的黑洞照片。很多人看到这张照片都以为它像一个“甜甜圈”,那么这个“甜甜圈”其实的物理尺寸有多大年夜大呢?

有1000亿千米。然则因为照片中的这个黑洞距离我们有5500万光年,是以看起来尺寸异常小,只有41微角秒。

这个大年夜小相当于把量角器上的一度分成一亿份,那一亿分之一度等于这个“甜甜圈”的大年夜小,可见这个黑洞异常之小。

为了拍到黑洞,举世200多位科学家形成了一个团队,将普及举世的8套珍贵的毫米波望远镜阵列,形成了一个等效口径和地球直径差不久不多不久不多大年夜大的望远镜,科学家会合到黑洞的信息后,又花了近两年的韶光,才得到了这张照片。

其其实2019年4月10日发布之前,我已经看过这张照片了。然则获悉大家都看到这张照片后,我异样酣畅,比我当初看到它时还要欣喜。这就彷佛你有一个同伙,大家都异常否认你的同伙一样。

经常有人问我多么的成就:黑洞是什么?黑洞真的存在吗?我们为何要钻研黑洞?这等于今日我想跟大家分享的三个话题。

黑洞是什么

说到黑洞,不能不提一位有名科学家——爱因斯坦。请不要只信托讲义上爱因斯坦老年时刻的照片,他年轻的时刻相当英俊潇洒,绝不输任何一位好莱坞明星,但更帅气的照样他充溢智慧的大年夜大脑。

104年前,他提出了狭义相对论,左右是爱因斯坦方程。他革新了原先的相对时空不都雅不雅。曾经一次采访中,爱因斯坦说,我这小我私家等于比拟维持,别人都觉得韶光和空间是独立的,而我觉得它们可能是一路的。

假如用一句话来形貌他的实际,等于物质的风致抉择了时空如何波折,而时空波折抉择物质而如何运动。用一个弹簧床去仿照时空的话,放一个球,球有风致,弹簧床就波折了,而波折了的弹簧床又会影响周边物体的运动。

举个例子,当初大家都坐在惬意的椅子上,椅面其实已经突出,假如你在椅面上放一个小球,会发现小球会自然地往椅面突出处滑动。这其实等于,你抉择了椅面如何波折,而椅面的波折又抉择了椅面上的物体如何运动。

德国物理学家史瓦西

就在同一年,还在一站沙场上退役的德国物理学家史瓦西就给出了爱因斯坦方程的首个精确解,反映了什么呢?当一个天体坍缩至一个临界半径时,物质将继续坍缩至中间奇点。这个临界半径等于事故视界半径,在视界内,其引力富强到连光都无法逃脱。

假如连光都没法逃脱,那么等于说没法看见它。1969年,约翰惠勒给它取名黑洞。惠勒等于《星际穿越》电影的科学顾问,黑洞大年夜大牛。

最大年夜概的黑洞模型

可惜的是,史瓦西英年早逝,没有看到他提出的最大年夜概黑洞模型被称作史瓦西模型。

连光都无法逃离是以天体内部一片漆黑

假如我们进一步钻研史瓦西的解,就会发现多么一个性质,你、我、我们所处的房子,其实都有自己的临界半径。

也等于说,假如把自己大年夜也许这栋楼压缩到各自的临界半径的时刻,就可能孕育发生一个黑洞了。而当物体被压缩到不受操纵持续往中间塌缩的时刻,一个体积无限小的奇点也就出现了。

我们把黑洞的临界半径叫作事故视界。给黑洞拍照的望远镜其实就叫事故视界望远镜。既然我们想拍一拍事故视界相近的环境,这说明我们已经认同了,目前人类无法知道黑洞里面的环境。

那么这个视界面的大年夜小和我们有什么关系呢?假如把我自己压缩成一个黑洞,那得压缩成多小呢?视界面的大年夜小和风致有很大年夜大的关系:风致越大年夜大,黑洞的视界面半径越大年夜大,反之,风致越小,视界面半径就越小。

假如把太阳压缩成一个黑洞,它的视界面半径是3000米中心;把地球压缩成一个黑洞,它的视界面半径只有9毫米;把我压缩成一个黑洞,预计视界面半径比原子核还要小了。

黑洞真的存在吗

宇宙中终究有没有黑洞呢?有的,我等于察看黑洞的。


三类黑洞

根据风致,宇宙中的黑洞分为三类:恒星级风致黑洞超大年夜大风致黑洞,还有介于两者之间的中等风致黑洞

目前,恒星级风致黑洞和超大年夜大风致黑洞我们都找到了确凿的案例。唯独介于两者之间的中等风致黑洞,我们目前还没有找到确凿的候选体,这也是待解的艰巨之一。

其实,确凿已知的每一个大年夜大风致星系的中间都存在着一个超大年夜大风致黑洞。那我们是如何知道它们的呢?首张黑洞照片算是比拟直接的证据,实际上,让我们对黑洞懂得更多的,反而是它的间接证据。

就像我们看不到风,然则我们可能经过历程风吹动衣服或旗帜来判断风的存在。对付黑洞,也是类似的察看原理。

恒星的运动吐露了黑洞的踪迹

大家当初看到的动图,其实是我们对天河系中间的18颗恒星停止长达16年的察看后得到的一个结果。夏季,假如大家去比拟荒僻有数而辽阔的中间,大年夜也许光感染比拟弱的中间,昂首该当会看到一条天河光带。

在这条光带最宽的地域里,有一个茶壶状的星座,这个星座中等于天河系的中间。团组停止长达20多年察看钻研的等于银心地域相近的恒星。

这些恒星不只在迁移转变,而且彷佛围着一个看不见的中间在迁移转变。我用五角星标识出了这此中间。那么这其中间区有多小呢?比太阳系还要小,只有地球到太阳之间距离的130倍,然则这么小的地域居然包孕了风致为太阳410万倍的天体。

这么小的地域却有这么大年夜大的风致,我们不知道它是什么天体,它只可能是黑洞的候选体,是天河系自己的黑洞。这些是我们经过历程恒星和善体的运动判断出来的。

第二类间接证据是等于黑洞“吃”货物会发光。所以可能经过历程察看黑洞发出来的光,去判断黑洞的存在。

我们都知道,黑洞是具有很强引力的天体,四处的气相识往黑洞的标的目标下落。大家回顾一下,寻常洗脸池中的水往下游的时刻能否是一边转一边流?

黑洞“吃”货物也是多么,被它“吃”掉落落的气体也是一边转一边往下落,此后在黑洞的四处形成一个盘,我们管它叫吸积盘。

大家可能想一想水力发电。水从高处落下,水所具有的强引力势能会转化成机械能,推动发动机事故,进而发电。

那么当物质和善体从高处落下,掉落落到黑洞的时刻,也必然会释放出很强的引力势能。这些引力势能也会转化为光和热,而且转化效率异常高。

有多高呢?我们可能大年夜概做个对比:煤的点火是化学点火,太阳发光是核聚变。煤点火相当于你在银行存了10000亿元,可能取出3元钱的成本;太阳发光相当于你在银行存了1000元,可能取出7元的成本。

黑洞对四处物质的吸积、吞噬所转化的光和热,相当于你在银行存了100元,可能取出少则十几元,最多40元的成本。

以超大年夜大风致黑洞为例,假如把黑洞的吸积盘地域比作一个黄豆,一样平凡星系就相当于一个身高5万米的巨人,固然说黄豆大年夜小的生动黑洞比巨人般的星系小千万倍,但每秒钟发出的能量要强很多。

这类小尺寸、大年夜大能量的性质使我们揣摸它可能是黑洞。

第三类证据是什么呢?当初你们听到的是一种引力波的声音。经过历程对这类引力波信号的钻研,我们知道它对应的是两个恒星级风致黑洞的碰撞和并合,就彷佛我们看到了两个黑洞“斗殴”的现场。

我们可能忖度这两个黑洞有多大年夜大,风致比是多少。所以,引力波也间接见告了我们恒星级风致黑洞的存在。

为何要钻研黑洞

不论是黑洞的首张照片,黑洞对四处气体和恒星的影响,照样黑洞发光以及引力波等,这些直接或间接的证据都见告了我们,黑洞是存在的。我们为何要钻研黑洞呢?

我脑海中闪过的第一个理由是好奇心,终究很多时刻我们是因为好奇而想去做钻研。但显着这个理由其实不能压倒大家。

我们所处的天河系里就有这么一个超大年夜大风致黑洞,我们为何不去懂得它呢?这个超大年夜大风致黑洞和我们人类有什么关系?它会不会影响到我们的一样寻常生活?

我给大家多么阐发一下,一方面,这个黑洞的风致有410万倍太阳风致那么大年夜大,它距离我们有2.6万光年。距离这么远,我们受到来自于它的引力微忽其微,所以引力的影响可能轻忽了。

一颗超大年夜大风致黑洞

但假如我们以天河系中间为球心,以我们到天河系中间的距离为半径画一个庞大年夜大的球,大家知道这个球里存在的风致有多少吗?900亿倍太阳风致。900亿和410万,差得不是一点点。

所以,抉择太阳如何运动的不是黑洞,而是气体、恒星,还有占比最大年夜大的暗物质。这正好考据了一句话——联合等于气力。

此外一方面,生动的黑洞会发光,并且发的光还很强。成心义的是,天河系旁边的黑洞其实不生动,它很恬静,所以它发出来的光和能量比拟弱。又因为我们离它很远,所以等到这个黑洞到达地球名义的时刻,强度就更弱了。

况且,地球自带两大年夜大保护层,一层是大年夜大气层,一层是磁场,它们保护我们免受高能粒子、高能光子的影响。

综合这几点,我们可能得出一个结论:天河系中间的超大年夜大风致黑洞所发出的光,对我们的影响可能轻忽不计。

天河系中有上亿个恒星级风致黑洞

除了天河系中间的这个超大年夜大风致黑洞,实际上,天河系当中还该当存在上亿个恒星级风致黑洞。诚然目前只探测到了20多个,但一想到还有那么多的恒星级风致黑洞,我们能否是该当关注一下呢?

不管是超大年夜大风致黑洞,照样恒星级风致黑洞,对付人类而言,目前已知黑洞候选体带来的引力影响都可能轻忽不计。

然则,既然每一个大年夜大风致星系的中间都有一个超大年夜大风致黑洞,那么黑洞和它所处的星系之间有什么关系呢?

黑洞与星系的关系

请大家看看这张图。这是离我们比拟近的大年夜大星系中间的一个黑洞,星系中有一个名叫核球的部分,而这张图片就反映了黑洞风致和核球风致的相关性。

我们可能看到,它们两者呈正相关性,也等于说,黑洞风致越大年夜大,它所栖身的星系中间的核球风致也会越大年夜大。

这能否是说明,黑洞的开展和星系的开展是相关的呢?目前这个成就照样一个未解之谜,所以对黑洞的钻研能够副手我们熟识星系,熟识黑洞和星系的关系。

除了对钻研星系有很大年夜大的副手,对钻研整个宇宙的历史,黑洞的功勋一样功不成没。假如把我比作一个生动的黑洞,我正在吃货物,正在发光,我发出的光会经过一排一排又一排的不都雅不雅众直达此后一个不都雅不雅众的眼里,因为今日这个园地很小,所以光减弱的效应异常弱。

然则假如距离我们几十亿光年之外,光穿越到地球都必要几十亿年的话,那这个黑洞发出的光会异常强,光会经过很多的星际介质直到地球。

望远镜最终纪录下的光谱是多么的,上面有很多的突出地域,我们把它们叫作接管线,接管线反映了黑洞发出的光在穿越的历程中,星际介质所留下的痕迹。

大家当初看到的是我拍摄到的生动黑洞的光谱,经过历程钻研黑洞的光和光上留下的痕迹,我们可能钻研星际介质的散播有多少,它们是如何散播的。所以,钻研黑洞有利于钻研宇宙的历史。

诚然超大年夜大风致黑洞、恒星级风致黑洞在天河中对我们的影响异常小,但对付钻研黑洞自身、黑洞与星系、黑洞与宇宙来说,黑洞的钻研都是异常关键的。黑洞还有很多的秘密没有处置惩罚惩罚,这都垂垂使我们必然要去钻研黑洞。

科学家如何钻研黑洞

不知道我上述说的理由能不能压倒大家,黑洞钻研其实是异常成心思的,有价值的。那我们到底该如何钻研黑洞呢?

前面提到的直接证据大年夜也许间接证据,一方面证实白清楚清楚明了黑洞的存在,此外一方面也是钻研黑洞的好素材。上面我给大家讲一讲,我是如何利用黑洞发出的光来探测黑洞四处气体的运动,进而知道黑洞的风致的。

地球绕太阳转示意图

先给大家看一个大年夜概的模型,这是太阳和地球运转的示意图。我们知道地球围着太阳转,更准确地说,它们是环抱着奇特的质心在迁移转变。

假如我知道地球环抱太阳转的速度是多少,再知道太阳和地球的距离是多少,我就能够算出太阳的风致是多大年夜大了。

生动黑洞浅显模型图

这张图是我们对一类生动黑洞做的浅显模型图。旁边是黑洞,核心的地域是气体下落形成的吸积盘,吸积盘外还有一些气体云块。

经过历程拍摄黑洞发射的光,我想知道两个信息:气体云块距离黑洞有多远?气体云块环抱黑洞转的速度是多少?就有点类似经过历程察看天河系中间黑洞相近的恒星运动,从而算出天河系中间黑洞的风致。

第一个生动黑洞的图像和光谱

图左是人类看到的第一个生动黑洞——3C 273的照片,这是我们在光学波段可能看到的它的样子容貌样子容貌。它像一个星点,所以我们把它叫作类星体(类似恒星的星体)。

实际上,它是一个生动星系的中间,也等于一个黑洞。图右是这个黑洞的光谱,它包孕了很多个频率的信息,反映了在比拟小的频率波段,光的强度有多强。

而我的事故是什么呢?我的事故等于从技术上去阐发多么的光谱,从而找出哪些是吸积盘发出的,哪些是气体云块发出的。

就拿这个光谱来说吧,气体云块发出的光是发射线,而吸积盘发出的光是继续的,假如做一个拟合的话,等于图中继续谱的环境。

经过历程钻研气体云块发出的信号,我就能够知道气体云块环抱黑洞转的速度,再基于一些履历关系,从继续谱的信息中,我又能知道气体云块距离黑洞有多远。有了这两个数据,我就可能算出黑洞的风致有多大年夜大了。

和黑洞当同伙十年多了,我从它的身上学到了很多货物。我以为黑洞真的是宇宙中最雅致、最纯挚的天体,为何这么说呢?

因为完备地形貌黑洞,只必要三个参量就够了:风致、电荷(是否带电,带正电照样负电,带多少电)、迁移转变才气(角动量)。

然则要完备地形貌我的大年夜大拇指指甲盖,大家知道必要多少个参数吗?上亿个都不止。因为指甲盖由分子形成,分子有原子,原子又有原子核和电子,原子核又有质子和中子,质子和中子又有夸克,而要形貌夸克又得要多个参数。

三个参数和上亿个参数对照,黑洞确凿是一个异常纯挚的天体。

诚然黑洞自身尺寸异常小,一个太阳黑洞的视界半径才3000米,一个地球黑洞的视界半径才9毫米,但黑洞所栖身的星系比它大年夜大多了。一个黑洞相当于一个小黄豆,它所栖身的星系相当于一个直径50000米的大年夜大球。

尽管体积相差庞大年夜大,但这个小家伙每秒钟发出的能量,发出的光却是那个大家伙每秒钟发出的几千倍,以致可能还会对那个大家伙孕育发生必然的影响。

偶尔偶尔分我会想,宇宙是一个很大年夜大的范围,我是钻研黑洞范围的,而黑洞范围又很普遍,我是经过历程察看光来测黑洞的风致;有的人是基于测好的黑洞风致去钻研黑洞和星系的关系;还有的人会钻研接管线的特征,钻研星际介质的环境……每一小我私家钻研的范围其实都异常小。

从黑洞,我学到的事理:做个像黑洞那样雅致、纯挚的人;就像黑洞很小,但仍可能对比它大年夜大许多的星系孕育发生大年夜大影响;我们也很眇小,但我们是历史长河的一部分,也能引发一点水花 。

“SELF格致论道”讲坛是中国科学院努力推出的科学文化讲坛,尽力于精英思惟的跨界传播,由中国科学院打算机网络信息中间和中国科学院科学传构造联合主办,中国科普博览承办。SELF是Science, Education, Life, Future的缩写,旨在以“格物致知”的精神评论战论科技、教育、生活、未来的成长。关注微信大年夜夷易近众号SELFtalks得到更多信息。

本文出品自“SELF格致论道讲坛”大年夜夷易近众号(SELFtalks),转载请阐明大年夜夷易近众号出处,未禁受权不得转载。

您可能还会对下面的文章感兴趣:

2019网上买彩票的平台 盈盈彩 奖多多 易旺彩票 金冠彩票app_金冠彩票app下载 pk10计划_pk10最牛稳赚5码计划_pk10五码两期在线计划 709彩票app官网_709彩票app官网下载 凤凰体彩