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科学家首次直接观察到黑洞背后的光!揭开银河系中心超级怪物的神秘面纱-aoa体育在线官网,aoa体育官方app下载

2022-09-08 18:26:38 仙桃市

aoa体育在线官网,aoa体育官方app下载超大质量黑洞:星系中心的“怪物”

aoa体育在线官网,aoa体育官方app下载斯坦福大学的天体物理学家使用欧洲航天局的 XMM-Newton 和美国宇航局的 NuSTAR 太空望远镜来观察黑洞背后的光。这是科学家们第一次直接观察到黑洞背后的光,这可能会让我们对黑洞的理解更上一层楼。黑洞是宇宙中最“不可思议的天体”之一。自发现以来,它们一直是天文学家和物理学家研究的焦点。但它的秘密,我们还没有完全揭开。

aoa体育在线官网,aoa体育官方app下载黑洞在哪里?

aoa体育在线官网,aoa体育官方app下载在星系和类星体中寻找

黑洞是宇宙中最神秘的物体之一。早在18世纪,英国的米切尔和法国的拉普拉斯就从牛顿力学中做出了理论预测:宇宙中可能存在一颗看不见的“暗星”,其质半径比过大。如此之大,以至于其表面的逃逸速度超过了光速,以至于它发出的光无法逃逸其表面。

1915年,在爱因斯坦发表广义相对论后不久,德国的史瓦西从爱因斯坦的引力场方程中得到了静态史瓦西解。根据他的理论预测,我们无法从外部知道某个临界半径。 (即地平线)。这个事件视界内的特殊时空区域后来被命名为“黑洞”。

那么,宇宙中真的存在理论预言的黑洞吗?哪里可以找到黑洞?他们的品质如何?

20世纪确立的恒星演化理论告诉我们,宇宙中质量超过太阳质量25倍的大质量恒星在死亡前会产生剧烈的超新星爆炸,它们的残骸很可能形成数倍的恒定质量几十倍于太阳的质量。恒星黑洞。银河系中有数千亿颗恒星,但目前,科学家们在银河系中只发现了几十个恒星黑洞,还有大量的恒星黑洞等待我们去发现。银河系只是银河系的一个普通成员。银河系外仍有大量星系。宇宙中黑洞的数量远远大于我们迄今为止所观察到的。

那么,有没有比恒星黑洞重得多的黑洞呢?它们会出现在哪些星系中?它会在银河系的什么地方?在回答这些问题之前,我们先来介绍一下什么是赛弗特星系和类星体。

我们知道,星系是构成宇宙的基本单位,恒星和气体是构成星系的主要成分。 1943 年,美国天文学家塞弗特注意到一些星系的中心区域特别亮。他首先拍摄了这些星系核心的光谱,发现光谱中有强烈而宽广的发射线,与恒星光谱完全不同。后来被称为“赛弗特星系”。 1959年,美国天文学家沃尔特指出,这些Seyfert星系产生宽发射线的核心区域一定存在强引力场,而该区域的物质质量估计超过1亿倍。太阳。那么,问题来了:这些产生强引力的物质是什么?

1950年代,雷达探测技术被用于天文研究,极大地促进了观测能力的提高。英国剑桥大学的射电天文学家将数百个已发现的宇宙射电源汇编成一张表格。科学家们在猜测,这些射电源是什么天体?使用光学望远镜寻找这些射电源的光学对应物在当时成为一项非常重要的任务。在继续研究中,科学家们发现一些射电源具有相似的光学特性,他们将这些“类星体射电源”称为类星体。类星体实际上位于遥远星系的核心,它们的光谱与赛弗特星系相似,只是光谱线的红移更大,距离更远,辐射更有活力。那么,问题又来了:这些类星体的巨大能量来源不可能是普通恒星的热核反应。它来自什么物理机制?

1964年,苏联科学家Zeldovich和美国科学家Salpeter独立提出,在类星体发现后不久,星系中心可能存在超大质量黑洞(超过太阳质量的一百万倍)。类星体是通过吸积周围的气体并释放大量能量而形成的。这种大胆的解释为类星体奠定了物理基础。

也正是对类星体能量的讨论,促使英国数学物理学家彭罗斯在 1965 年重新考虑大质量天体的引力坍缩形成奇点的问题。他用广义相对论证明了黑洞奇点的形成是不可避免的。 ,对黑洞形成理论做出了重要贡献,并因此获得了2020年诺贝尔物理学奖。

1969年,英国科学家林登·贝尔提出了吸积盘围绕黑洞运动的概念,并计算了黑洞吸积的辐射强度,进一步证实了类星体巨大能量的来源是物质释放的引力能。被超大质量黑洞吸积。 .随着1973年苏联科学家Shakura和Sanyaev以及1974年美国科学家Peggy和Thorne建立标准吸积盘模型,超大质量黑洞吸积模型最终成为类星体和Seyfert星系的活动。银河核能机制的标准模型。

除了类星体、赛弗特星系等辐射能量巨大的活动星系中心存在超大质量黑洞外,正常星系中心是否存在超大质量黑洞? 1969 年,林登伯格指出,一旦类星体中心的黑洞周围没有物质可以被黑洞吸积,它们就会变成“死”的类星体,即不活跃的正常星系。因此,在许多正常星系的中心,也存在质量数百万至数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞。 1971年,Linden Bell和Reiss还论证了银河系中心应该有一个超大质量黑洞,并提出在无线电波段使用极长基线干涉技术应该能够确定黑洞的大小。位于银河系中心的黑洞。

如何“看到”黑洞?

在附近星系中心发现超大质量黑洞

尽管科学家们在 1960 年代就提出了在正常星系中心存在大质量黑洞,但很难通过观测来证实这一点,因为需要超高空间分辨率的观测才能提供令人信服的证据。

天文学家利用地面上的大型光学望远镜,在 1980 年代开始对 M31 和 M32 等几个非常接近的正常星系的中心区域进行光谱观测,试图利用吸收线追踪的气体运动来获得存在的中心黑洞。然而,由于空间分辨率有限,结果存在相当大的不确定性。直到 1990 年哈勃太空望远镜发射后,情况才显着改善。哈勃望远镜的空间分辨率高达0.1角秒,其观测能力往往是地面望远镜的10倍。 1995年以后,它对近邻星系中心的观测,大大提高了原有的地基望远镜的观测结果,并且在更远的星系中心区域进行了多次观测,对超大质量的质量进行了精确测量。这些星系中心的黑洞。

测量邻近星系中心黑洞质量的方法一般有3种方法,即利用中心黑洞周围的恒星、电离气体和微波微波激射器动力学方法。前两个已广泛用于哈勃望远镜和地面光学红外望远镜,以观察附近数十个星系中心的黑洞。近20年来,采用计算机控制的望远镜镜面形状的自适应光学技术已广泛应用于大型地面望远镜的红外波段天文观测。通过镜面变形有效消除地球大气层的影响,可以获得高达0.01角秒的空间分辨率。

基于这项技术,德国天文学家根泽尔和美国天文学家盖茨分别利用智利的甚大望远镜和美国夏威夷的凯克望远镜,在银河系中心的黑洞周围进行了数十颗恒星的运动。超过 20 年的红外波段。监测,确定银河系中心黑洞的质量是太阳质量的 400 万倍(两人与彭罗斯分享了 2020 年诺贝尔物理学奖)。

自1995年以来,利用射电望远镜干涉的微波脉泽动力学方法探测到了围绕黑洞运动的分子气盘的开普勒运动,结合毫秒级干涉测量的超高空间分辨率,科学家们可以非常准确地测量出质量附近一些星系中心的黑洞。

近年来,这项技术也被扩展到通过使用毫米波阵列望远镜(如智利的 ALMA)探测一氧化碳分子气体的运动来测量附近星系中心黑洞的质量。美国天文学家通过ALMA望远镜对NGC135和NGC4261星系的观测,分别获得了太阳质量20.8亿倍和16.7亿倍的中央黑洞质量。

对附近星系中心的超大质量黑洞进行直接成像是近年来黑洞研究的最突破性进展,而要实现这种成像,需要高达数十微弧秒的空间分辨率。 2019年4月10日,由全球200多名天文学家组成的视界望远镜(EHT)国际合作团队宣布,由全球8个毫米波望远镜组成的全球EHT超长基线干涉阵列,拍摄于 2017 年 4 月。第一张黑洞照片引起了全世界的轰动。这个黑洞位于椭圆星系 M87 的中心,距离地球 5000 万光年。在照片中可以直接看到黑洞的“阴影”和围绕黑洞阴影但亮度不对称但从北到南的光晕。这是天文学家使用地球直径大小的望远镜阵列,以迄今为止最高空间分辨率(20微弧秒)拍摄的毫米波长物体的照片,其中的阴影直接证明了黑洞的存在。 EHT8望远镜的干涉得到了更准确的M87星系中心到地球的距离,即5480万光年。根据阴影的大小,M87中心黑洞的质量是太阳质量的65亿倍。

2022年5月12日,EHT国际合作团队发布了银河系中心超大质量黑洞的照片,这张照片也是EHT干涉阵列在2017年4月拍摄的。黑洞的影子和周围的光晕从照片中仍然可以看到黑洞的影子。 .阴影的大小也证实了银河系中心存在一个质量为太阳质量 400 万倍的超大质量黑洞。眼见为实,这些黑洞照片让人类直观地感受到了超大质量黑洞的存在。在我国,以中科院上海天文台为首的十几位科学家参与了这些黑洞照片的拍摄,并为此做出了重要贡献。

如何测量黑洞?

“权衡”活跃星系中心的超大质量黑洞

虽然动态法在测量邻近星系中心黑洞质量方面取得了一定的效果,但由于大多数活动星系的中心太亮,而最亮的类星体也离得更远,恒星和气体动力学方法不适用的话,必须使用其他方法来获得其中心黑洞的质量。

许多赛弗特星系和类星体的光谱中都有强而宽的发射线,发射线的宽度可以反映气体在宽发射线区域的速度。使用一种称为“光谱响应映射”的技术,科学家们使用望远镜从这些物体的长期光谱监测中推导出宽发射线和光的连续强度的时间延迟。宽发射线区到中心黑洞的半径,这样可以通过宽发射线区的半径和速度,按照动力学方法得到活动星系核中心黑洞的质量测量邻近星系中心黑洞的质量。

30年来,包括中国科学家在内的多个团队通过这种方法观测了100多个赛弗特星系和类星体的黑洞质量。结果表明,赛弗特星系的黑洞一般是太阳质量的一百万到几亿倍,而类星体的黑洞一般是太阳质量的一千万到几十亿倍。

光谱响应映射技术的应用范围有限,因为它需要大量的望远镜观测时间才能获得长期的光变化数据。不过,天文学家从已有的结果中得出了一个规律——发射线区半径与连续光度之间的经验关系(R-L关系)。这样,对活动星系核的单光谱观测就可以得到连续谱光度和宽发射线宽度,然后应用这个经验关系就可以得到发射线区域的半径,而中心的质量可以估计黑洞。

该方法已广泛应用于斯隆数字巡天(SDSS)和我国郭守敬望远镜(LAMOST)光谱巡天等类星体巡天项目。目前,天文学家已经发现了数十万个类星体。其中,中国天文学家利用LAMOST望远镜新发现了2万多个类星体。这些数十万个类星体的中心黑洞的质量是通过对宽发射线的测量获得的,其中大部分发射线的范围是太阳质量的一千万到一百亿倍。

R-L 经验关系式也被用来从红外光谱观测中估计一些最遥远类星体中心的黑洞质量。 2015年,北京大学带领的团队利用中科院云南天文台丽江2.4米望远镜发现了早期宇宙中最亮的类星体J0100+2802。 2021年,由亚利桑那大学领导的团队发现了类星体J0313-1806。中央黑洞的质量是太阳质量的 16 亿倍,是已知最古老的黑洞。

这些最遥远的超大质量黑洞的发现挑战了现有的星系和黑洞形成理论。如何在早期宇宙仅几亿年的极短时间内形成如此巨大的黑洞,需要科学家们给出新的思路。理论解释。

研究仍在继续——2021 年 12 月在美国发射的韦伯太空望远镜 (JWST) 已经开始用红外线观察最遥远的星系和类星体,希望在早期宇宙中发现更古老的超大质量黑洞。 2024年前后,我国还将发射中国空间站巡天太空望远镜(CSST),开展大尺度天体的高空间分辨率成像和光谱观测。可以想象,随着观测方法的改进和观测数据的积累,我们将发现数以百万计的超大质量黑洞,从而揭开这些星系中心“超级怪物”的更多谜团。

(作者:吴学兵,教授、北京大学物理学院天文系主任、卡夫里天文与天体物理研究所副所长)

来源:光明日报

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