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科学家如何拍到黑洞

三年前第一次真正看到黑洞让人记忆犹新,科学家:下一次要直接拍文/猿飞日月对于黑洞,我们又有何了解呢?在电影星际穿越中,对于黑洞的介绍,可以说是十分的神奇,男主人公,他们通过高科

三年前第一次真正看到黑洞让人记忆犹新,科学家:下一次要直接拍

文/猿飞日月

对于黑洞,我们又有何了解呢?在电影星际穿越中,对于黑洞的介绍,可以说是十分的神奇,男主人公,他们通过高科技手段,到了宇宙中很远的地方,目的就是为了寻找适合人类生存的新地球,不过,这一过程并不顺利,他们到达的地方有一个巨大的黑洞,这个黑洞引力十分强大,虽然附近有一颗充满水资源的星球,但是在黑洞强大的引力下,该星球的潮汐高达万丈,男主人公们好不容易找到了一个歇脚的地方,在看到滔天巨浪以后,他们没有办法只好乘坐飞船,再次飞离了这个星球。

相信让很多人印象深刻的是,男主人公在黑洞逗留的那几年,等到他再次回到家的时候,才发现时间已经过去了很久很久,自己六七岁的女儿,当自己看到时,已经是躺在病床上的垂垂老人。不仅男主人公感动的要流泪,连我们也唏嘘不已。

抛开影片不谈,大家对于黑洞有何种印象?第一点,黑洞的引力十分大,从他制造出的滔天潮汐就可以看出一二,第二点就是,在黑洞中或者是附近,时间的流逝会变得越来越缓慢,有可能你在黑洞中度过一年,外界依然是百年时光过去了,而根据科学家的解释,黑洞之所以能够做到这一点,这是因为它的质量无限大,引力也是十分强大,这一点中子星是比不了的,因为光在经过黑洞时,也逃不开黑洞强大的引力,但是中子星却不行。

黑洞的引力竟然如此强大,那么两个黑洞之间在相遇时,又会是怎样一番盛况?这一盛况在2015年的时候,有幸被科学家观测到,两个黑洞之间相互吸引,分毫不让,就看谁的引力更强,他们会彼此之间越来越靠近,你围绕着我旋转,我围绕着你旋转,这一活动会直接撼动整个星空,导致时空结构都发生了变化,并且会发出一种引力波。

科学家们正是通过这一种引力波,才可以目睹黑洞的真容,因为一般黑洞都是看不见的,这一次的目睹,也让科学家们对于黑洞有了更加深刻的了解,他们说下次要直接拍,最后小编再留给大家一个问题,黑洞之间相互吞噬,到最后宇宙会不会被吞没?

科学家是如何测量黑洞质量的?

有几种方法,针对不同的方式观测到的黑洞有不同的方法测定其质量。

最简易的方法是根据周围天体绕它公转的周期和距离计算得到。银心黑洞的质量就是用这个方法计算得到的。

另一种是根据引力透镜效应,不同质量天体产生的引力透镜效应是不一样的 ,这有点像不同曲率的凸透镜产生的放大效果不一样。因此天体物理学家根据黑洞产生的引力透镜效应就可以大致推断黑洞的质量。

还有一种近年火热的——引力波!这个就厉害了,根据双黑洞绕转产生的引力波频率振幅变化,可以还原出很多双黑洞的数据,这其中当然包括两个黑洞的质量,这真是人类科学家巅峰智慧的展现,通过去年的双中子星合并的观测结果显示,他们的计算是可靠的!

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科学家如何聆听10亿年前的黑洞碰撞?

科学家能够聆听10亿年前的黑洞碰撞主要得益于黑洞碰撞过程中有“引力波”产生。


什么是引力波?

引力波被称作“时空的涟漪”,它是由宇宙中的大质量致密天体(如黑洞、中子星)的碰撞或合并等剧烈的事件产生。引力波的存在早在1916年便由爱因斯坦预言,爱因斯坦当时就证明了加速下的大质量物体将会扭曲时空,并产生从该源头发出的时空涟漪。这种“涟漪”将以光速穿过空间向全宇宙传播,同时携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。

引力波的成功探测得益于美国“激光干涉引力波天文台(LIGO)”,首例引力波事件GW150914即由LIGO探测到其信号。这是一个来自一个双黑洞系统产生的引力波信号,并合的两个黑洞其质量分别是29个和36个太阳质量,在其合并过程中有相当于3倍太阳质量的能量被以引力波形式释放出去。正如LIGO项目执行主管David Reitze在新闻发布会上所说:“今天,我们开启了引力波天文学的崭新时代。”

在4个月以后,LIGO和Virgo(欧洲“处女座”Virgo引力波探测器)联合宣布,他们再次探测到引力波信号GW151226的消息。GW151226是14亿年前两个遥远的黑洞相互合并过程所产生的时空扰动。两个质量分别为大约14倍和8倍太阳质量的黑洞在合并之后形成了一个质量约为21倍太阳质量的黑洞,在其合并过程中有大约1倍太阳质量的能量被以引力波的形式释放出去。此番再次探测到引力波信号证明引力波信号的探测并非罕见事件,有理由预期未来还将有更多探测案例的出现,从而真正开启一个崭新的引力波天文学时代。

那怎么才能才能探测到引力波呢?

LIGO和Virgo探测引力波主要利用了引力波辐射的本性和它最重要的性质,也就是引力波会造成空间的拉伸或压缩,其频率和强度取决于相互绕转天体(目前探测到的引力波事件都是有黑洞、中子星并合产生)各自的质量大小和之间的距离及距离地球的远近。

以最早探测到引力波信号的LIGO为例。LIGO包含两台装置,分别位于美国西北的华盛顿州和美国东南的路易斯安那州。每台装置都有两个相互垂直的长度为4km的长臂。将一束激光用分光镜分成两束分别进入两个长臂,并在长臂的尽头被反射回来发生干涉(反射可以在长臂中往返多次相当于增加臂长,即增加激光的传播路径)。引力波发生作用时,两束激光产生的干涉条纹就会发生改变,我们就能知道发生了引力波事件。


在引力波探测时间的探测中,中国并未缺位。部署在中国南极昆仑站的南极巡天望远镜(AST3)和我国发射的第一颗空间天文卫星——硬X射线调制望远镜(慧眼)都参与双中子星并合事件(GW170817)的多波段国际联合观测。以下部分附上去年为 GW170817写的一篇小短文,也算是为正在建设的中国南极昆仑站天文台做个宣传。

中国南极昆仑站AST3望远镜参加引力波源国际联测获得重要成果

北京时间10月16日晚10点, LIGO-VIRGO科学合作组及全球各主要天文台同步发布重大天文学发现:2017年8月17日引力波望远镜LIGO和VIRGO看到第五例引力波事件之后,中国南极昆仑站的南极巡天望远镜AST3与众多国际天文望远镜联合观测,首次发现引力波源的电磁对应体,确定该引力波事件起源于两颗中子星并合所产生的时空涟漪,人类有史以来终于既“听”到也“看”到了引力波发射过程。这一发现标志多信使天文观测时代正在开始,将作为一个重要里程碑载入天文学发展史册。

中国南极昆仑站AST3望远镜是南极地区最大口径的天文光学望远镜。在引力波源信息发布大约一天内,AST3开始对该引力波源所在天区进行持续光学监测。这次监测历时10天,发现引力波源的电磁对应体,获得的光变曲线与巨新星理论预测高度吻合。AST3 的监测数据结合国际其它望远镜观测结果,提供了认识双中子星并合物理过程的关键信息。

GW170817此前发现的四例引力波事件均由双黑洞并合产生,这次引力波事件(按发现日期编号为GW170817,GW为引力波英文缩写)则起源于两个中子星并合,其质量分别为太阳质量的1.15和1.6倍。除引力波之外,还观测到很强的闪电(电磁辐射)。LIGO/VIRGO探测到引力波事件后,包括中国南极昆仑站AST3在内的国际上众多地面和空间天文望远镜,在Gamma-射线、X-射线、紫外、光学、红外和无线电等全部电磁波段搜寻引力波源。联合观测确认引力波信号来自距地球约1.3亿光年的星系NGC 4993中的两个中子星并合过程。双中子星的并合比双黑洞并合更加漂亮,不但能产生引力波,还会有部分物质以很高的速度抛射出来,产生各种光现象:短促的Gamma-射线暴发及其X-射线、紫外和可见光余辉。这次双中子星并合抛射出的物质超过 3000个地球,抛射速度高达每秒十万公里(0.3倍光速),这些抛射物中很大比例将合成金、铂、银等贵重金属。

AST3望远镜安装和运行在中国南极昆仑站。昆仑站是我国第一个南极内陆科考站,也是人类在南极地区建立的海拔最高的科考站。昆仑站所在的南极冰盖最高点冰穹A地区,平均海拔4090米、冰厚3500米,年均温度-58.4℃、最低气温约-82℃。具有非常重要的科学价值,是开展冰川学、气象学、空间科学以及天文学等多学科研究的优越平台。观测和理论研究表明,南极冰穹A是地球上最好的天文台址,在某些方面可与空间相媲美,将为天文观测提供一个绝佳的窗口,为研究诸如太阳系起源,早期宇宙和宇宙暗物质、暗能量等重大问题提供一个新机遇。

在昆仑站建设之初,国家海洋局就将南极天文纳入南极科学考察中长期规划,确定南极天文学作为昆仑站三大学科重点之一,为我国天文界与国际天文界合作开展南极天文观测研究开创了极好的机遇和条件。通过国家海洋局和中国科学院通力合作,南极天文观测加入2007-2009年度中国南极科考和国际极地年中国行动计划──熊猫计划。在南北极环境综合考察与评估专项和历次南极地考察队的支持下,先后在昆仑站建立自动天文观测站和南极巡天望远镜AST3等重要的天文台址科考和天文观测设备。目前,国家海洋局和中国科学院正在积极推动中国南极昆仑站天文台的建设工作。天文台以2.5米光学/红外望远镜(KDUST)和5米太赫兹望远镜(DATA5)为主干观测设备,建成后将成为国际上最具竞争力的天文台之一。

AST3望远镜在8月18日观测窗口期内引力波光学信号。

图片来源:中国南极天文中心


我是南极观星人,主业是在南极看星星,也是《宝宝的物理学》和《玩转星球》译者,欢迎 关注 我

超出科学家的理解,为何黑洞可以如此之大?

其实现在有一种新的猜想,是宇宙中存在着一个同黑洞完全相反的白洞。

黑洞是将物质吸进去,而白洞是将物质吐出来。

白洞只出不进,白洞也是一个封闭的边界,白洞内部的物质只能向外部运动,白洞外部的物质却不能进入其内部。

打比方,就是白洞像一个永远开着的水管,里面一直会出水。而外面的水进不去水管里面。

所以猜想黑洞的大可以理解为,他吸收了物质以后永远不会满,因为白洞吧他吸收的物质用吐了出来。一个在吸收物质,一个在吐出物质。

当然白洞现在还只是一个猜想没办法证实。

目前有科学家观测到黑洞吗?为什么?

黑洞因为质量极大体积却相对比较小,造成的时空弯曲非常厉害,引力非常大,使得视界内的光都无法逃逸,因此难以直接观测,需要借助其它宇宙事件。

黑洞的特点之一就是质量大引力大,类似于地球绕着太阳运行一样,黑洞造成的时空弯曲会吸引周围的物质围绕它运行,包括质量巨大的恒星和大片星云,它们会以非常高的速度绕着黑洞运行,在逐渐接近黑洞的过程中,被吞噬。因此可以借助观测恒星运动的方式来间接观测黑洞。在银河系中心地带,恒星的运行速度就费非常的快,而它们中心的天体却难以观测。由此可以推断黑洞的存在。

黑洞的存在还会为人类呈现一些极其奇妙的事件,在地球上观测恒星,只能观测到一面,但是科学家却观测到过恒星的背面,因为恒星的光经过黑洞等质量超大的天体附近时,被严重的折射弯曲。这类现象也可以证实宇宙中存在一类质量极大的天体。一些类星体黑洞,在吞噬物质的同时,还会在两端释放强烈的能量流,这也是科学家实际观测到的。这些都可以作为黑洞存在的间接证据。

黑洞的存在以往只是物理计算上的,到后来科学观测发现了黑洞存在的依据。现在关于黑洞是否存在的争议已经不多了,但未来仍需要开展更多的探测来获得更多的黑洞信息。

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