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寻找黑洞
2022-11-24

自从在理论上证明了黑洞存在的可能性以后,探索黑洞便成了最引人注目的研究.那么黑洞到底隐藏在哪里呢?

或许你想象不到,在宇宙间发现黑洞是件多么难的事情.你不可能简单地用一架望远镜仰望漆黑的天空,就此老老实实地期望发现一个黑洞.因为黑洞不发光,使得它们极其难以捉摸.

黑洞可能有大有小,但它的类型却是有限的.黑洞的特性是指它的质量、自转和电荷.如果我们以从大质量恒星演化而来的黑洞为目标,则搜索黑洞就会容易些,因为我们对这类黑洞的起源比较了解.恒星在晚年核燃料全部耗尽,星体在其自身引力作用下开始坍缩.若其质量大于太阳质量3倍,则坍缩的最终结果就是产生黑洞.此类恒星级黑洞的质量一般不超过太阳的50倍.此外,在双星系统中,黑洞天体可以从它的伴星吸取物质并发射X射线,而X射线我们是可以观测和分析的.正是对双星系统的分析,我们获得了黑洞存在的最好证据.其中天鹅座X—1是最强有力的黑洞候选者.

寻找不同质量黑洞也是可能的.远小于恒星质量的小黑洞可能在宇宙开始时大爆炸的引力混沌中形成,大爆炸异乎寻常的力量把一些物质挤压得极其紧密,于是形成了"原生黑洞".其典型尺度仅相当于一个基本粒子,质量与小行星相仿.20世纪70年代研究黑洞的一个引人注目的结果是小黑洞的蒸发理论.但目前尚未发现正在蒸发的小黑洞.质量比恒星大的黑洞也可能存在.星系和球状星团的中心部分恒星很密集,星体之间容易发生大规模的碰撞而产生超大质量天体的坍缩,形成质量超过太阳质量1亿倍的大黑洞.这些大黑洞可能为在巨大的星团中观测到的X射线源提供能量,它们也可能是给类星体供应能量的"发电站".如果整个宇宙停止膨胀的话,宇宙的结局就会是一个黑洞.

然而,黑洞的存在与否,以及它的类型和性质,仍有待我们去证实与检验.黑洞就像其本身的特性一样,用它极其强大的引力吸引着我们去探测这一宇宙的杰作.

由于黑洞极其独特的性质,使对它的发现和检测变得非常困难.面对巨大的挑战,科学家们充分发挥了他们的卓越才能和智慧.

解决问题的钥匙正是问题的性质本身.所有黑洞的周围环绕着强引力场,以至于黑洞视界内的任何辐射都无法逃离黑洞.因此使我们不能直接探测到它们.然而也正因为这样,可以通过观测黑洞对周围事物的强引力作用而对它进行检测.虽然有一点是不幸的,我们永远不能直接观测到黑洞本身,而是间接发现和检测.但是我们终于摆脱了困境,找到了出路.

检测黑洞的一种可能方法牵涉到光的引力偏转现象.光线通过一个强引力场时会发生弯曲.当光线在黑洞附近通过时,则由于环绕黑洞的强引力场引起时空有很大的曲率,这种效应将显著得多.当地球、黑洞和遥远的星体排在一条直线上时,地球上的观测者将看到遥远星体的两个像,分别在黑洞两侧.而这种借助黑洞扫曲遥远的背景恒星或星系的配置就像光线通过一个玻璃透镜一样,所以称之为引力透镜,当然这种方法本身就是很困难的.因为这要求地球、黑洞和背景星体三者必须极其准确地排列成一条直线,而这种完美无缺的排列是极罕见的.

在探测黑洞这个问题上,也许观测黑洞对气体和尘埃的吸积现象比观测

引力透镜格外奏效.因为掉进黑洞的气体可能会发出在远处可以检测的辐射.由于星际空间几乎是完全真空的,星际气体的原子彼此相距如此之远,以至一个孤立的黑洞不可能吞噬这种气体快到足以产生可以检测到的辐射.

我们必须改在气体供应充足的附近去探测黑洞.而双星系统是理想的候选者.当一个双星系统中有一个黑洞存在时,另一颗恒星风中的粒子经过黑洞附近时被俘获进入绕黑洞的轨道而形成吸积盘.当这些向内盘旋的气体越来越近黑洞时,它们被摩擦加热到越来越高的温度,恰在它们最终掉进黑洞之门前产生极其强烈的X射线.

由于地球大气对X射线的吸引完全阻碍了地面观测.在此天文学家必须在地球大气之外进行观测.于是在1970年12月12日,美国发射了一颗名为"乌呼鲁"意即"自由"的X射线天文卫星."乌呼鲁"的上天使得对黑洞的检测得以实测.一年后便发现了一个最理想的黑洞候选者——天鹅座X—1双星系统.此后相继发射了一系列X射线检测卫星,例如"爱因斯坦天文后"

等等.因而接连不断地得到越来越好的X射线图,从而对黑洞的检测工作进展迅速.

寻找快速X射线闪烁的捷径在于从天空里接连不断发现的许多X射线源中间找到黑洞的候选者.我们说不定会立刻发现黑洞比任何人想象的要多得多.

黑洞的神奇魅力,使对它的检测成为现代天体物理学的前沿,也是整个科学和人类认识观的前沿.

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