2020年十大黑洞發現
2021年01月04日08:58

  1月4日消息,據國外媒體報導,物理學家如今正處於瞭解黑洞的黃金時代。自2015年以來,研究人員已經能夠使用激光干涉引力波天文台(LIGO)獲得黑洞併合產生的信號,而諸如事件視界望遠鏡(EHT)等望遠鏡曾拍攝到黑洞陰影的第一張照片。2020年也不例外:一系列令人興奮且獨特的發現加深了我們對黑洞的認識。

  下面,讓我們一起來回顧一番2020年的十大黑洞發現。

  2020年諾貝爾物理學獎表彰黑洞發現

  彷彿是為了證明今年是黑洞研究成果卓著的一年,科學領域的最高成就獎——諾貝爾獎,在今年10月份頒給了三名研究這些神秘宇宙天體的物理學家。他們分別是英國牛津大學的羅傑·彭羅斯——因“發現廣義相對論預測了黑洞的形成”而獲得一半的諾貝爾物理學獎,以及UCLA的安德里亞·蓋茲和德國波恩大學與馬克斯·普朗克宇宙物理研究所的萊因哈德·根澤爾——因“發現銀河系中心的超大緻密物體”而共同分享另一半的諾貝爾物理學獎。蓋茲是迄今為止,第四位獲得諾貝爾物理學獎的女性。其他三位獲得該獎項的女性分別為居里夫人(1903年)、瑪麗亞·格佩特-梅耶(1963年)和唐娜·斯特里克蘭(2018年)。

  LIGO觀測到迄今為止最大的黑洞併合

  LIGO和歐洲的另一座引力波天文台Virgo可通過引力波觀測黑洞。引力波即大質量物體振動時在時空結構中引起的巨大漣漪。LIGO-Virgo引力波天文台已經貢獻了許多令人印象深刻的發現。但是,在今年5月份,LIGO-Virgo合作團隊宣佈,發現迄今為止觀測到的最大質量黑洞碰撞。這兩個黑洞的質量分別為85倍太陽質量和66倍太陽質量,碰撞併合為一個142倍太陽質量的黑洞。除了打破原有記錄之外,這項發現也是處於所謂的中等質量黑洞“禁區”範圍內的第一個發現。雖然天文學家已經觀測到與太陽大小差不多的小質量黑洞,也知道各個星系中心存在著幾百萬倍太陽質量的超大黑洞,但在此之前尚未有人發現這一中等質量黑洞的存在證據。中等質量黑洞的確切形成仍有待科學家進一步探索。

  太初黑洞

  宇宙大爆炸之後的極短時間內,整個宇宙瀰漫著熾熱湍急的輻射。在某些區域,能量十分緻密,以至於在理論上,這部分能量本身會坍縮並形成一個黑洞。雖然物理學家尚不清楚這些太初黑洞(PBH)是否存在,但他們已經在設想太初黑洞若存在的話,會帶來哪些變化。數篇論文已經表明,有些比垂死恒星形成的黑洞更小的黑洞或可構成暗物質——一種在宇宙中產生引力影響的神秘物質。未來,科學家將開展更多實驗,來尋找太初黑洞,以證明或反駁這些太初黑洞的存在。

  可能存在極大質量黑洞

  如果把星系中心的超大質量黑洞合併到一起然後分成11個黑洞,結果會怎樣呢?9月份發表的一份論文正討論了這種“極大質量黑洞”(SLAB)的存在可能性。極大質量黑洞的質量至少可以達到1萬億或更多個太陽的質量。目前已知最大的黑洞是類星體TON 618,質量約為660億倍太陽質量。極大質量黑洞的質量將比TON 618的十倍還多。部分極大質量黑洞可能形成於宇宙早期,是為另一種類型的太初黑洞。這意味著,我們或許可以通過宇宙微波背景輻射尋找它們的蛛絲馬跡。宇宙微波背景輻射即38萬年前的宇宙所留下的光輻射。另外,如果地球和遙遠的恒星之間存在極大質量黑洞的話,我們也可以通過引力透鏡效應找到它們。目前,極大質量黑洞雖然僅存在於假設層面,但已經吸引越來越多的關注。

  LIGO發現不對稱黑洞併合

  LIGO-Virgo引力波天文台檢測到的大多數雙黑洞系統,都由兩個質量相當的黑洞組成。但是在今年4月份,該合作團隊宣佈他們觀測到了最不對稱的黑洞併合。這兩個黑洞在24億光年外環繞併合,質量分別為8倍太陽質量和30倍太陽質量。西北大學引力波科學家克里斯托弗·貝里寫道:“這就好比將一塊普通的奧利奧餅乾融進一塊超級版奧利奧餅乾。”之前,天文學家認為這樣的意外事件非常罕見,才運行沒幾年的引力波設備未必能觀測到這些現象。但LIGO-Virgo合作團隊的發現對上述假設提出了質疑,並促使研究人員開始考慮層級併合的可能性。這類併合中,一個黑洞與另一個碰撞,接著碰撞後的殘餘物繼續與第三個黑洞併合。

  望遠鏡觀測到黑洞將恒星“意大利麵條化”

  當一個超大質量天體落入黑洞的特定距離範圍內時,其中的極端引力可以將天體拉成細條狀,這個過程被形象地描述為“意大利麵條化”。由於大多數黑洞都隱藏在一層模糊不清的氣體和塵埃背後,意大利麵條化的現像極少被觀測到。但是在今年10月份,歐洲南方天文台的天文學家使用甚大望遠鏡(VLT)和新技術望遠鏡(NTT)成功地捕捉到一顆恒星被“意大利麵條化”的過程,細節清晰之程度前所未有。這一事件標記為“AT 2019qiz”,將有助於研究人員更好地去瞭解極端環境下的引力。

  距離最近的黑洞

  誰都不希望太靠近一個黑洞(結局請參考“意大利麵條化”)。幸運的是,5月份觀測到的宇宙吃豆人和另外兩顆繞其運行的伴星互相之間正保持著安全的天文距離。這個由一個黑洞和兩顆恒星組成的三合星系統被稱為“HR 6819”,位於南天星座望遠鏡座,距離地球約1000光年。之前距離最近的黑洞,與地球的距離大約有3000多光年,是新紀錄的三倍多。天文學家並未直接觀測到該黑洞本身,而是根據HR 6819系統中另外兩顆恒星軌跡在引力影響下出現的擺動,推測出這個黑洞的存在。南半球的天文愛好者可以在晴朗的夜晚用肉眼觀測到HR 6819系統中的兩顆恒星。它們位於望遠鏡座的西南角,靠近該星座與孔雀座和天壇座的交界處。

  黑洞可能是一個模糊球

  若要形成黑洞,物質和能量必須先坍縮成一個密度無限大的微點。由於這樣的無窮大在物理上幾乎不可能,理論學家一直在嚐試想辦法解決這個離奇的結果。因此,他們提出一個弦理論,試圖用亞原子和振動弦來替代所有粒子和力量。根據這個弦理論,黑洞可能是某種更為奇特的東西——由基本弦構成的一個紗線狀的模糊球。今年10月份,一項研究表明,如果中子星(一種密度不足以形成黑洞的恒星殘骸)中的原子實際上是一串弦的話,那麼將這些弦壓縮在一起就可以形成一個模糊球,就是前述提到的基本紗線狀模糊球,而非黑洞。這個新奇的想法尚不完善,但或許是一個解決無窮大問題的潛在途徑。

  宇宙中可能潛伏著危險的“赤裸”黑洞

  物理學家認為,每一個黑洞應該都隱藏在所謂的“事件視界”背後。一旦落入事件視界這個邊界,誰都不可能逃出來。但是,自黑洞這個概念首次提出來之後,研究人員就一直在思考,事件視界是否絕對必要。有沒有可能存在一個沒有事件視界的黑洞,即“赤裸的”黑洞?如果存在,赤裸的黑洞將十分危險。因為已知的物理定律在黑洞的事件視界範圍內完全不適用,而赤裸的黑洞則連這最後一層的保護屏障都沒有。儘管大多數理論學家認為黑洞不可能赤裸存在,但11月份發表的一篇論文提出,可能有一種辦法可以證實這個猜想。技巧在於尋找吸積盤上的差異。吸積盤上的差異可以區分赤裸黑洞和正常黑洞。

  黑洞寶庫

  對於研究黑洞的科學家們而言,今年的聖誕驚喜來得特別早。10月份,LIGO-Virgo引力波天文台合作團隊發佈了一個全新的目錄,包含2019年4月到9月之間觀測到的數十種引力波信號。這39個事件包含許多有趣的發現,比如兩個超大質量黑洞併合成一個142倍太陽質量的黑洞、一個八倍太陽質量黑洞和一個三十倍太陽質量黑洞併合帶來罕見的極不對稱併合事件,以及看起來既像小質量黑洞又像大型中子星的神秘天體。研究人員對這些數據感到非常驚喜。這些數據表明,該聯合設備平均每五天可以捕獲一個新信號。研究人員計劃使用這些數據來更好地瞭解黑洞併合的行為和頻率。(勻琳)

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