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關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了

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2019年的未來科學大獎高峰論壇在北京落下了帷幕,在這次論壇中,許多世界頂尖的科學家分享了各自領域最前沿的科學研究成果。
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了49 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

其中中國科學院國家天文臺研究員茍利軍,在這次高峰論壇上發表了名為《黑洞基本性質測量的最新回顧》的主題演講。介紹了科學家如何精確測量黑洞基本性質的方法,以及一些最新的研究結果。

茍利軍是我們國家在黑洞研究領域的知名專家,是中科院黑洞首席科學家。因此,關于這次黑洞的分享是相當精彩,并且覆蓋黑洞相關知識的方方面面。我對這些內容進行了整理,來和你分享。
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了70 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

今天,我們就介聊一聊茍利軍研究員的分享以及他對于一些天文愛好者的問題的回答。

他主要從三方面進行了比較詳細的講解,分別是:
    黑洞及其基本性質的測量;測量方法;如今取得的一些進展。

黑洞及其基本性質的測量

我們先從第一部分開始說。首先,我們要搞清楚黑洞到底是什么?

關于這個問題,其實了解黑洞的簡史尤為重要。具體來說就是這樣的:
    17世紀,牛頓提出了萬有引力定律,基于萬有引力定律得到了我們熟悉的逃逸速度公式;
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了23 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

    18世紀,拉普拉斯想象了可能存在一種天體,非常致密,以至于自身發出的光都無法逃脫出來。這也是關于黑洞最初的構想。
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了17 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

    20世紀初,愛因斯坦提出了相對論,發現引力場并不是由質量直接引起的,而是時空被有質量的物體彎曲以后的效應。
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了86 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

    在愛因斯坦提出廣義相對論后不久,物理學家史瓦西就從愛因斯坦場方程中得到了精確的解,而這個解對應的是:沒有轉動黑洞的史瓦西解
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了98 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

    20世紀30年代,美國的原子彈之父奧本海默和他的學生提出了一個學說。他們認為恒星在死亡階段有可能坍縮成一個致密的奇點,并且推導出了質量的下限:3.2個太陽質量。
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了22 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

    20世紀60年代,迎來了黑洞研究的黃金時代,在這段時間里,迎來了兩大突破:
      1963年,數學家Roy Kerr通過求解愛因斯坦場方程,第一次得到了帶有旋轉的黑洞的精確解;1964年,科學家通過觀測的方法,發現了第一顆恒星級的黑洞。
    在接下來的20,30年里,許多科學家投身黑洞研究的領域。黑洞研究領域發生了好多大事件,比如:
      約翰·惠勒推導了“黑洞”這個名字;史蒂芬霍金提出了史蒂芬霍金輻射。

關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了26 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

如今,我們知道,黑洞大概分為三類:
    恒星級黑洞:3~100個太陽質量之間;中等質量黑洞:100~10萬個太陽質量;超大質量黑洞:幾十萬倍太陽質量,甚至上百萬倍太陽質量。

同樣的,在科學研究過程中,我們會用很多物理量來描述研究對象,對于黑洞,我們只需要三個物理量就可以描述,分別是:質量、轉動、電荷

不過由于,宇宙中的氣體幾乎都是以等離子體狀態存在,因此,就會存在非常多的自由電荷,當一個黑洞帶了電荷,就很容易和周圍帶電粒子達到靜電平衡狀態。因此,我們就只有質量、轉動兩個物理量來描述黑洞了

也就是說,測量黑洞,說白了就是從測量質量、轉動這兩個物理量。那如何測量呢?

黑洞的測量

由于需要測量兩個物理量,因此,測量的方法也不一定,我們來一個個聊一下:
    黑洞的質量測量

測量黑洞的質量,常用的辦法測量伴星運動的速度。在高中學物理的時候,我們其實就學到過了如何測量太陽的質量,具體的過程就是利用地球的轉動速度,以及日地之間的距離,然后用開普勒定律就可以推算出太陽的質量。
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了37 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

同樣的,如果存在一個中心天體,它的質量要大于三倍太陽質量及以上,我們就可以判定這個天體應該是黑洞,然后通過測量伴星周圍恒星的運動速度,然后利用開普勒定律就可以得到中心天體的質量。我們把它稱之為動力學方法
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了64 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

    黑洞的轉動測量

對于測量黑洞的轉動,實際上是很困難的。因為恒星級的黑洞只會影響黑洞周圍幾十公里或者幾百公里的范圍,而利用目前的望遠鏡觀測這片區域很難有什么發現。因此,只能利用間接測量的方式。

上世紀70年代,美國一位物理學家巴丁就從理論上提出了黑洞轉動測量的可能性。我們直接來聊一聊實際觀測中是如何測量的。一般來說,黑洞都會存在吸積盤。
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了46 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

如果沒有轉動,吸積盤最里邊的半徑距離黑洞會比較遠;如果轉動非常快,而且兩者是同一方向的時,就會靠著黑洞很近。這樣就會在我們所觀測到的黑洞光譜上留下一些特征,我們只要分析這些特征就可以推斷出黑洞的轉動。主要有兩種分析光譜的方法:
    連續譜的方法鐵線擬合的方法

除了這兩種方法,還有一些新興的方法,比如:引力波法,黑洞直接成像法等等。

新的研究和進展

上文我們也提到了1964年發現了第一個黑洞。但是,當時學術圈對于這個天體到底是不是黑洞,意見一直無法統一。2011年到2014年間,茍利軍帶著他的團隊利用VIBI的射電望遠鏡和美國的錢德拉X射線望遠鏡,對這個黑洞的質量,自旋以及距離進行了精確的策略。目前,我們知道,這個天體的質量有15倍太陽質量,因此,這肯定是一個黑洞了。

到目前為止,科學家所知道的大概有10例左右的黑洞系統,已經利用連續譜做了精確的自旋測量,有一些也用到了鐵線擬合的方法。兩者有很好的一致性,也存在一些黑洞系統只能用一種方法來測量。

而兩種新興的測量方法也在最近幾年得到了使用。2016年LIGO探測到了兩個黑洞合并的引力波。
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了29 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

引力波可以幫助科學家來了解黑洞的質量和轉動。

另外一種直接成像的方法,其實就是來自于2019年4月公布的黑洞照片。通過擬合它的陰影,我們知道這個黑洞的質量是65億倍太陽質量。不僅如此,通過是視界面望遠鏡觀測以及它的噴流在空間的方位角的限制,可以對這個黑洞的轉動做出一些限制。
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了86 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

以上就是茍利軍分享關于黑洞的主題演講內容,可以說是非常全面。

史蒂芬霍金輻射

在分享的現場以及之后的記者采訪,茍利軍也回答了一些天文愛好者的問題。其中,大家比較關心的是黑洞照片是否證明了史蒂芬霍金輻射。茍利軍也給出了專業的回答。
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了1 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

首先,這張黑洞照片并沒有證明史蒂芬霍金輻射。史蒂芬霍金輻射是黑洞自身的輻射,很微弱,是我們看不到的。而且史蒂芬霍金輻射有個規律:質量越大,輻射越微弱。因此,只有非常小的黑洞才有可能產生較強的輻射。而恒星級的黑洞所產生的輻射要比宇宙微波背景輻射的溫度還要小。因此,我們很難觀測到。

宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸殘留下來的余熱,來自于宇宙大爆炸之后38萬年時所產的輻射,一開始的光子能量很高,但隨著宇宙膨脹,光子的波長逐漸被拉長,最后溫度變成了2.73K,這個溫度已經是相當低了,是布滿全天的背景輻射。
關于黑洞的前世、今生與未來,你只需要這一篇就夠了34 / 作者:zyby / 帖子ID:55162,217091

因此,只要恒星級的黑洞輻射一點,溫度稍微降一點,就可以通過宇宙微波背景輻射吸收一點東西,來彌補損失。因此,只要宇宙微波背景輻射的存在,一些恒星級的黑洞或者超大質量的黑洞一旦產生了,就基本不會消失。

關于本次“黑洞”的分享,我們就聊到這里。

原文地址:今日頭條
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沙發
online_member 發表于 6 天前 | 只看該作者
黑洞,其實更應該叫核洞,高致密天體,高輻射天體,輻射能量大到可以擊穿光子,電磁波,所以,人類是沒法探測核洞的。
再告訴你,隱形飛機的原理就是這樣,給飛機機身施加上輻射,雷達就發現不了了。
被國外專家騙了吧!
哈哈哈
板凳
online_member 發表于 6 天前 | 只看該作者
#科學有意思#
地板
online_member 發表于 6 天前 | 只看該作者
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