黑洞那么黑,为什么科学家还有办法观测到它?

要说天文学名词中最贴切的是哪种天体?黑洞无疑是最形象的,但如果要说最不贴切的名词,毫无疑问黑洞同样能被当选,为什么黑洞会如此极端,它又有哪些特性?

什么样的洞才能算是黑洞?

要是去查天文学名词的词典,那么肯定会告诉你黑洞是广义相对论中预言的天体,但后来被证实确实存在,并且在2019年4月10日公布了人类拍摄的第一张照片!但其实更准确的说,天文学家早在爱因斯坦发表广义相对论之前的1891年,就拍摄到了后来确认是一个巨型黑洞的OJ 287宿主星系的照片。

这个远在35亿光年外的黑洞,由另一个黑洞环绕它公转,每当穿过吸积盘时就会引起剧烈的光度变化,这就是早期被认为是一个变星,后来被归纳为个蝎虎座BL型天体的类星体。当然我们就不来瞎扯当初还不认识的OJ 287了,还是正儿八经的来看看:

黑洞是怎么来的?

当一个天体的质量超过自身引力支撑极限,天体将坍缩成一个奇点,史瓦西早就已经将天体坍缩的度规给计算出来了,即:天体的直径小到光速环绕才不至于掉落表面时,这个天体将无可避免的形成黑洞,但史瓦西度规并不是天体形成黑洞的自然条件,而是一个人为条件!

真正的自然条件是奥本海默极限,也就是天体质量超过引力支撑极限时候的质量,这个质量大约是太阳质量的3.2倍,当然这并非指恒星超过3.2倍太阳质量就会诞生黑洞,而是指没有辐射压的天体,比如中子星,那么自身重量即可让它直接坍缩成黑洞!

恒星型黑洞都是超新星爆发中形成,但并非必要条件

黑洞形成过程

这里简单聊聊恒星型黑洞的形成,恒星在主序星阶段内核有强大的辐射压,支撑外壳的重力坍缩,因此相安无事,而当内核燃料耗尽,再也不能支撑外壳时,那么内核会达到电子简并力极限将坍缩成白矮星,如果质量够大,那么会达到中子简并力极限坍缩成中子星,假如超过了中子简并力,中心就是一个黑洞。

除了恒星型黑洞外还有原初黑洞,这是宇宙大爆炸初期质量密度太高直接坍缩而成的,除此外似乎没有第三种能诞生黑洞的方式,但黑洞可以通过合并变成超大型黑洞。

如何来描述黑洞?

黑洞并不是一个洞,它在三维空间中是一个引力极度扭曲的空间,所以如果要将黑洞表现在二维平面上,用一个洞来表示无疑是最恰当的,因为直接就让大众能理解!

但真正的黑洞却需要三维或者动态图来表示,否则可能在理解上会存在偏差,比如下图这种能形象标识三维空间的网状立体图:

所以用黑洞来称呼黑洞,是最恰当和最不恰当的!

要怎么样才能观测到黑洞?

的引力大到连光都无法逃脱,所以我们根本就无法从可见光波段直接看到黑洞,但黑洞这种超丧的特性仍然能让天文学家发现它,而这个始作俑者同样是让大家看不到的引力!

黑洞的吸积盘

因为黑洞的超强引力,所以它会形成一个巨大的尘埃吸积盘,除非它的周围啥都没有,因此只要观测它周围存在的巨大吸积盘即可!

当然在白矮星和中子星周围同样会存在吸积盘,但从理论上来看,黑洞的引力梯度递增完爆白矮星和中子星,因此两者因吸积盘物质被压缩后发射出来的电磁波段是有差异的,相比较而言黑洞的X射线更强,因此钱德拉硬X射线望远镜从原理上更能发现黑洞,硬X射线是能量比较高,波段比较短的X射线波段。

第一个黑洞天鹅座X-1和银心的黑洞Sgr A*黑洞就是这样被发现的,而且在2013年时还观测到了银心黑洞吞噬物质时形成的X射线耀斑!

钱德拉X射线太空望远镜发现的银心附近众多的X射线源

相对论性喷流

这是存在吸积盘的黑洞另一个特征,遥远的黑洞如果不是相对论性喷流对着地球,估计我们也很难检测到吸积盘发出的微弱辐射,相对论性喷流是中心星体吸积盘表面的磁场沿着星体自转轴的方向扭曲并向外发射,一般吸积盘两侧面都会形成向外发射的喷流。假如喷流的方向刚好朝向与地球,那么将能观测的强大的辐射

M87的喷流

比如2019年4月10日成像的M87星系中心的黑洞,就有一条著名的相对论性喷流,那个喷流甚至比星系更为著名,很多M87的照片中都能隐约见到,这些喷流由电子、正电子和质子组成,是宇宙中速度最快的天体之一,但现在对它的具体成因,仍然有很大的争议。

引力透镜

引力透镜其实也是广相中预言的光线弯曲的无产品,它会形成类似透镜效应而放大在黑洞后方的天体,当然用这种方式来筛选黑洞是很难的,因为黑洞刚好经过后方存在天体时的机会并不多,而且其结构太小,所以造成的效应非常不明显!

黑洞经过银河系为背景的有趣现象,这就是引力透镜效应

不过整个星系的透镜效应就会来得更强一些,而且自从发现第一个引力透镜以来,天文学家已经在宇宙中发现大量的引力透镜效应,而且各个种类都有!

哈勃太空望远镜获得的21个强引力透镜候选者的图像数据。

引力波

引力波就是质量变化对时空产生的涟漪,而黑洞合并或者中子星合并等都能产生引力波,不过用它来观测黑洞存在或者单个黑洞那绝壁是一件超级困难的事情,但谁又能保证以后的技术可以达到这个水准呢?毕竟质量运动同样能产生引力波,只是我们现在难以观测而已!

霍金辐射

霍金辐射就只能呵呵了,这是以量子效应理论推测出的一种由黑洞散发出来的热辐射,物理学家史蒂芬·霍金在1974年时提出了这个概念,2008年6月NASA发射了GLAST卫星,专门寻找蒸发的黑洞中γ射线的闪光,但到现在为止,霍金辐射依然没有被验证。

所以到现在为止,能“直接”看到黑洞的方式还是第一种,即吸积盘产生的两种效应,检测X射线辐射和相对论性喷流,但对于大部分黑洞并没那么强大的相对性喷流,因此还是以检测X射线辐射为主,辅以临近天体的扰动。