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让霍金痛快认输的赌约,赌了个啥?

2022-12-04| 发布者: 新市信息社| 查看: 144| 评论: 3|来源:互联网

摘要: 上世纪6、70年代,天文学家们开始在天空中寻找黑洞。茫茫宇宙中,黑洞在哪里呢?黑洞不发光,不辐射,便不能...
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上世纪6、70年代,天文学家们开始在天空中寻找黑洞。

茫茫宇宙中,黑洞在哪里呢?黑洞不发光,不辐射,便不能被看见,那么,应该如何来寻找它们?最后,人们把寻找的目标指向了双星系统。

双星系统

双星系统又是太空天体中有趣现象之一。不仅仅人类社会中成双结对,恒星也喜欢找一个“舞伴”,共同牵手在太空中翩翩起舞。为什么这么说呢?因为据观察,在银河系的众星中,有一半以上的恒星都是双星。

其实从物理学的角度来看并不难理解,恒星有大有小有各种质量,两两相邻的可能性很大。如果两颗星质量差别大,便会一个被另一个俘获。质量差不多的两颗恒星,便共同围绕质心转,形成双星系统。

如果一个黑洞与另一颗星结成了双星,那就好了!我们看不见黑洞,总看得见它亮丽的舞伴吧。这个舞伴的运动会被黑洞所影响,顺藤摸瓜,便能找到这个看不见的伴侣的信息,由此而又可以进一步判定它是不是一个黑洞。

黑洞 概述图

还不仅仅如此。观测双星系统时,不仅能观测到更为明亮的那一颗,也能观察到从另一位“看不见的舞伴”附近辐射出来的某些东西。即使是黑洞,虽然在它的视界之内不会有任何物体逃脱,但在它的视界周围却能观测到辐射现象。

天体的辐射除了可见光之外,还有X射线、伽玛射线、红外、无线电波等等。比如X射线,由于大气层的阻挡作用,在地面上不容易接受到。自从V-2火箭把人带上了太空开始,X射线的探测便逐渐进入到天文学。1962年,美国天文学家里卡尔多·贾科尼(Riccardo Giacconi,1931年-)利用探空火箭在X射线波段进行了全天范围内的扫描,正式开创了X射线天文学。

后来,1970年贾科尼领导的第一颗X射线天文卫星(乌呼鲁卫星,探险者42号)升空,确定了339个新的X射线源,包括第一个黑洞候选天体—天鹅座X-1。贾科尼后来因为他对X射线天文学的卓越贡献而获得2002年的诺贝尔物理学奖。如今,太空中发现的X射线源天体的总数已经达到了12万个。

天鹅座 示意图

天鹅座X-1便是一个距离太阳大约6,070光年的双星系统,是从地球观测最强的X射线源之一。这个双星系统为何发出X射线?与系统中两个星体的性质有关。

经过对致密X射线源天鹅座X-1的观测研究,表明它是由一个超巨星和另一个质量颇大却又“不可见伴星”组成的(之后证实这是一个黑洞)。从观察发现此类双星系统内有一些有趣的现象,首先,物质不停地从可见的超巨星表面流向它的同伴,像是被一股“风”吹过去似的。这股连绵不断的“妖风”使得超巨星变成“液滴”形状。物质绵绵不断地从“液滴”的尖端,被输送到“不可见”的星体,积累和弥散在其周围形成一个圆盘形状,也就是天文学家们所说的“吸积盘”。

多次的天文观测证实,吸积盘(accretion disc)是恒星周围具有的一种常见结构。由弥散物质围绕中心体转动形成。中心天体可以是年轻的恒星、原恒星、白矮星、中子星、黑洞等。弥散物质在中心体强大引力的作用下,将落向中心体。但另一方面,如果这些物质旋转的角动量足够大,使其在落向天体的某个位置处,离心力与引力相抵消时,便会形成一个相对稳定的盘状结构,就叫做“吸积盘”。

在吸积盘中,物质被引力吸引下落的过程中,释放出大量能量,在临近中心体的地方产生垂直于盘面的狭窄的漏斗状喷流,如上图所示。

此外,不断进入中心体周围物质所携带的引力能得到释放后,高能电子会摩擦并加热吸积盘中气体到很高的温度,导致气体向外辐射。辐射的主要频率与中心天体的质量有关。对年轻恒星,吸积盘辐射多半为红外线,中子星及黑洞产生的吸积盘辐射则多半为X-射线。热辐射的温度要达到106K数量级才可以显著地发出X射线,所以,双星系统中黑洞周围吸积盘的形成是来自巨星的物质供给。

洛希瓣是包围在恒星周围的一个空间界限,在这个范围内的物质因为该天体的引力而被束缚。但如果这个恒星体积膨胀至洛希瓣的范围之外,这些物质将会摆脱掉恒星引力的束缚。在双星系统中发生这种情况的话,摆脱巨星引力的物质却有可能被它的开不见的同伴的“黑手”抓去,就像上面所叙述的天鹅座X-1的情况那样,形成了黑洞的吸积盘。

洛希瓣示意图

然而,天文学家又如何确定天鹅座X-1双星中那位看不见的舞伴是黑洞而不是其它种类星体呢?

这就需要测量该星体的质量。因为从前面所述的奥本海默极限,最后能演化成黑洞的天体质量要大于约3倍的太阳质量。但星体质量的测量和估算非常困难,不过随着天文技术的进步,测量的数值会越来越准确。

目前估计的天鹅座X-1的质量约为太阳质量的8.7倍,加之其密度极高,这些数据成为支持它是一个黑洞双星系统的重要证据。从观测资料可以估算出天鹅座X-1黑洞的事件视界半径约为26公里。

因此,尽管我们无法直接观测黑洞,但它对周围物质强大的引力作用使我们能间接观测到黑洞存在的证据。有科学家估计在银河系内黑洞的总数应以百万计,但直到目前能够确定为黑洞(或黑洞候选者)的天体却只有寥寥数十个。

除了恒星黑洞外,有确切的观察证据表明银河系中心是一个质量为大约431万倍太阳质量的超大质量黑洞。天文学家认为,这种超大质量黑洞在星系中心普遍存在。此外,在宇宙的极早期阶段也会形成质量极小(约 1E15克)的原初黑洞,但目前尚未观察到。

霍金与基普·索恩

第一次观察到天鹅座X-1黑洞时,霍金便与基普·索恩打赌,1975年,霍金赌天鹅座X-1不是一颗黑洞,如果霍金赢了,索恩给他4年的《侦探》杂志;反之,霍金给索恩定1年的《阁楼 (杂志)》。

实际上当时,两位学者都知道天鹅座有80%的可能性是黑洞,但这是霍金采取的打赌的“保险措施”。因为他无论输赢都高兴,赌赢了得杂志,赌输了证明黑洞存在,他的理论正确。

最后,到1990年,观测证据显示这个系统中存在着引力奇点,的确是一个黑洞。霍金承认打赌失败,给索恩定了一年杂志,还大张旗鼓地在当年的文件上按手印“认输”,但却打心眼里高兴,因为这是黑洞物理理论的第一个观测证据。

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作者:张天蓉

来源:《揭秘太空:人类的航天梦》

部分图源网络

版权归原作者所有



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