看见黑洞的四种方法看见黑洞的四种方法博科园百家号你一定知道黑洞。你知道它是一个质量极大密度极大，以至于光都无法逃离的超级天体。在你的印象中，它可以吞掉胆敢靠近的任何物质，是宇宙中的“大恶魔”。然而你有没有想过，既然连光都逃不出，我们要如何才能看到，或者说观测到这些隐藏在遥远宇宙中的黑暗天体？这篇文章将回答这一问题，带你了解看见黑洞的N种方法。当然在这之前你必须知道，类似下面这样的黑洞图片，都是想象图（假的）。图片来源：wikipedia黑洞长啥样？这样：不，其实是这样：没错，黑洞是空的。黑洞是一个奇点，一个密度无限大而体积为零的奇点——等等，你一定是骗我，黑洞是有体积有边界的，我看过电影的你别骗我！你所说的边界是“事件视界”，event horizon。在这个边界之内的所有物质，包括光，都无法逃脱中心奇点的引力，唯一的命运就是向中心的奇点加速靠近，然后融为一体。从黑洞外部看来，视界之内的空间只有黑暗。所以，视界也就成为了公认的“黑洞边界”。视界的范围有多大？换句话说，黑洞有多大？对于没有自转的黑洞，下面的公式给出了视界的半径（史瓦西半径）：简单来说，黑洞的半径与黑洞质量成正比，与太阳质量相同的黑洞半径只有2.95千米。男性大学生3千米长跑的及格成绩约为14分40秒。这个从一头跑到另一头只要半个小时的空间，却是中心质量与太阳相当，任何物质都无法逃脱的 black hole。黑洞 Black Hole 这一词语是美国记者 Ann Ewing 在1964年的一篇新闻报道中首先使用的，这篇报道题为“'Black Holes' in Space”。这一形象说法在1967年被理论物理学家 John Wheeler 使用后，逐渐得到学界认可。黑洞都在哪儿？质量不太大（几个几十个几百个太阳质量）的黑洞的分布和一般的恒星没有什么区别，而值得格外关注的是，在绝大部分星系的中心，都存在着一个超大质量（几十万到几百亿个太阳质量）的黑洞。在银河系的中心，这个黑洞被称为“人马座A*”，质量约为太阳质量的430万倍。银河系中的太阳系。图源见图。下面进入正题（前奏确实有点长……），我们如何看见黑洞？黑洞真的只进不出？霍金说，NO！1975年，霍金提出了“霍金辐射”，认为黑洞可以向外“发射”粒子，这些粒子从黑洞中带走能量，会使黑洞逐渐“蒸发”。霍金。图片来源：epicrapbattlesofhistory.com明明引力大到光都逃不出，霍金辐射是什么鬼？霍金给出的解释涉及到了量子场论中的一种“玄幻现象”。在这个理论中，真空中会自发地产生虚粒子对（由于曾被认为无法观测，这种真空中量子涨落产生的粒子被称为虚粒子），两个虚粒子一个为正粒子一个为反粒子，并且一个携带正能量一个携带负能量，因此并不破坏物质守恒和能量守恒定律。通常情况下，这一对虚粒子会在极短时间内互相湮灭。然而，如果这一过程发生在黑洞视界的边缘，就存在这样一种可能：负能粒子被吸入黑洞，而正能粒子逃离黑洞。从黑洞外部看来，这逃离的正能粒子，就是由黑洞发出的“霍金辐射”。在这个过程中，黑洞吸入负能粒子，内部能量降低，产生“蒸发”。霍金认为，由于黑洞外的普通时空不允许负能粒子的稳定存在，正能粒子进入黑洞而负能粒子逃离的现象不可能发生。霍金辐射示意图。图片来源：S. W. Hawking (1974), via
University of Texas.那么，霍金辐射能够被探测到吗？我们能够通过探测霍金辐射而“看到”黑洞吗？很遗憾，很可能不能。霍金辐射的强弱与黑洞质量负相关，黑洞越大霍金辐射越低。一个太阳质量黑洞的霍金辐射强度只有100纳开尔文，远小于2.7开尔文的宇宙背景辐射，而更大质量黑洞的霍金辐射更小。所以，想要在“嘈杂”的宇宙背景音中识别出来自黑洞的霍金辐射可以说几乎无望。黑洞越大霍金辐射越低，反之，黑洞越小霍金辐射越高。正是因为这一原因，科学家们才认为在实验室中制造黑洞是安全的，因为这些人造小黑洞的霍金辐射非常高，会在极短的时间内蒸发殆尽。下一个问题是，既然探测不到来自黑洞的霍金辐射，我们怎么才能知道这种辐射是真实存在的？2016年8月，以色列理工学院物理教授 Jeff Steinhauer 在《自然-物理学》杂志上发表了一篇论文，他在实验室中一个由玻色-爱因斯坦凝聚态创造的“声学黑洞”中观察到了霍金辐射。顾名思义，声学黑洞是声音无法逃出的类黑洞，它和真正的黑洞一样，也具有霍金辐射。Steinhauer 教授的这一工作用类比告诉我们，黑洞的霍金辐射极有可能是真实存在的。“科研圈”曾对这一成果进行了详细的采访报道：模拟引力：实验室中的终极理论之梦Steinhauer教授。图片来源： Steinhauer说了半天，黑洞不是只进不出，它还有霍金辐射，然而并没有什么卵用，我们还是看不见它。对于这个无法直接观测的神秘天体，我们看见它的唯一途径只有间接观察：捕捉它与宇宙中其他物质发生相互作用时产生的片片涟漪：看见黑洞第一招恒星绕着黑洞转前文提到，在绝大多数星系的中心，都存在着一个超大质量黑洞。正如地球绕着太阳转，星系中的恒星也都绕着这个超级黑洞旋转着。从1995年起，天文学家开始对银河系中心“人马座A*”区域附近的90颗恒星进行轨迹观测和记录，这些记录清晰地显示：所有恒星都围绕着一个黑暗的中心运动着。20年中，这90颗恒星中的一颗名为S2的恒星完成了一次完整的绕行。根据S2的轨道数据，我们终于计算出了银河系中心这个黑暗天体的基本数据：质量约430万个太阳质量，半径约为0.002光年。这样一个高密度不发光的天体，几乎只可能是黑洞。恒星绕人马座A*运动的轨迹。图片来源：Keck / UCLA Galactic Center Group.看见黑洞第二招黑洞吃东西：发出X射线的吸积盘根据角动量守恒原理，在物质逐渐靠近并被吸入黑洞的过程中，物质（比如一颗恒星）会被黑洞的巨大引力撕扯成气体，并在黑洞视界的外围形成一个旋转的气体吸积盘，其中的气体一边旋转一边向视界靠近，最终被吸入黑洞。黑洞吸积盘中气体的转速很高，而且越靠近视界速度就越高，高速气体之间的剪切摩擦会产生大量的热量，使吸积盘中心部分气体的温度达到惊人的高度并发出高强度的X射线。任何物体都有不断向外辐射电磁波（热辐射）的本领，物体温度越高，辐射的电磁波波长越短。人体发出的热辐射位于红外波长，这是红外夜视仪工作的基础。而温度极高的黑洞吸积盘的热辐射波长极短，为X射线。通过对吸积盘所发射X射线的观测，我们是不是就可以看到黑洞？答案是肯定的。我们可以捕捉到来自天外的X射线，并由此推断黑洞的存在。NASA观测到的来自黑洞的X射线。图片来源：http://www.jpl.nasa.gov然而，人类尚未观察到完整的黑洞吸积盘光学图像。这是因为黑洞离地球太远，因此看起来太小，在其周围众多明亮恒星的掩映之下，我们很难直接观测到被吸积盘环绕的黑洞。要想直接看到黑洞吸积盘，我们需要更大的望远镜，比如由多国天文学家合作架设的虚拟望远镜平台：事件视界望远镜。事件视界望远镜是由位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的天线组成观测阵列，它将对银河系中央的人马座A *黑洞进行观测，捕捉黑洞周围环境的清晰图像。按照预期，它将可能在今年夏天拍摄到第一张真实的“黑洞照片”。科学家预想中的事件视界望远镜观测结果。图片来源：C-K CHAN/D PSALTIS/F OZEL看见黑洞第三招黑洞和可见恒星的双星系统第三招可以算是前两招的集合体。当黑洞和可见的恒星组成双星系统，彼此绕行，前面讲过的两种现象将同时发生：我们可以看到恒星围绕黑洞的运动轨迹，也可以看到恒星物质周期性被吸入黑洞而产生的吸积盘X射线。事实上，天文学上的第一个“黑洞有效候选人”Cygnus X-1就是通过这种方式，在1972年被观测到的。来自Cygnus X-1的X射线。图片来源：NASA/CXC看见黑洞第四招两个黑洞的融合：引力波日，LIGO 科学合作组织和 Virgo 团队宣布他们利用高级 LIGO 探测器（激光干涉引力波天文台）首次探测到了引力波信号。全球物理学界为之沸腾，广义相对论得到了百年之中最为直接和肯定的实测证据。而 LIGO 探测到的引力波信号，来自于两个黑洞的融合，是两个“宇宙恶魔”你死我活而激起的空间震颤。来自 LIGO 的引力波信号，不仅是广义相对论的最直接证据，也是“黑洞存在”迄今为止的最有力证据。旋转融合中的两黑洞示意图。图片来源：SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project以上就是目前为止，人类能够“看到”黑洞的几种手段。作为文章结尾的彩蛋，我们来说一说“白洞”。没错，在物理学家的理论中，不只有黑洞，还有白洞。与黑洞的只进不出相对，白洞只出不进，物质只能从其内部逃离，而无法进入。根据物理学家们的理论，黑洞和白洞由虫洞相连，从黑洞进入的物质可以从白洞出来。而最新的观点认为，是大量彼此纠缠的量子之间的“通道”创造了虫洞，也创造了由虫洞相连的白洞和黑洞——理论物理学家的世界，真难懂。作者：赵维杰 / 科研圈（keyanquan）参考资料：[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole[2] http://scienceblogs.com/startswithabang//how-can-we-see-black-holes/[3] http://www.vox.com/science-and-health///stars-orbit-black-holes[4] http://www.bbc.com/news/science-environment-[5] https://www.scientificamerican.com/article/ligo-discoveries-will-help-scientists-run-stellar-autopsies-on-colliding-black-holes/[6] 量子纠缠创造了虫洞，《环球科学》2017年1月刊本文由百家号作者上传并发布，百家号仅提供信息发布平台。文章仅代表作者个人观点，不代表百度立场。未经作者许可，不得转载。博科园百家号最近更新：简介:博科园-科学科普，传递宇宙科学之美！作者最新文章相关文章登录人民网通行证 &&&
我首次通过计算获得黑洞在暗物质晕中光学阴影
日08:24&&来源：
原标题：我首次通过计算获得黑洞在暗物质晕中光学阴影
　　黑洞阴影，是指当黑洞后面存在一个遥远的光源时，地球上的观测者所看到的黑洞在天空中的剪影，这也是爱因斯坦广义相对论的自然结果。云南天文台研究人员日前首次通过计算获得银河系中心黑洞在暗物质晕中的光学阴影，研究成果发表在最新一期著名国际期刊《宇宙学与粒子天体物理杂志》上。
　　对黑洞阴影的观测，被认为是直接探测黑洞的一种重要方法，并且可以加深对黑洞本质的认识。因此，研究不同时空下的黑洞阴影，成为天体物理领域的热点。国外建设中的“黑洞视界望远镜”的科学目标，就是为了获得银河系中心黑洞人马座A星和处女座星系中心黑洞M87的阴影。
　　对暗物质的理论和观测研究是当前天体物理学的一个重要领域。银河系中心暗物质密度高，是可观测的最强的暗物质源。近年来费米卫星等高能天文方面的观测，也为银河系中心存在暗物质提供了新证据，因此研究银河系中心黑洞人马座A星在暗物质晕中的阴影，具有特别重要的意义。
　　云南天文台高能天体物理研究组副研究员侯贤等人研究了在冷暗物质模型和标量暗物质模型下，黑洞人马座A星的阴影。结果发现，暗物质晕对黑洞阴影的影响很小，但要观测到两种暗物质晕对黑洞阴影的影响，所需要的望远镜的角分辨率，超过了当前黑洞视界望远镜所能达到的水平。此外，两种暗物质晕所要求的角分辨率相差100倍。
　　研究结果表明，探测暗物质晕对人马座A星阴影的影响，需要具有更高角分辨率的天文设备。同时，观测人马座A星阴影，为鉴别两种暗物质模型提供了新途径，有助于人们更好地认识暗物质的本质属性。 （记者赵汉斌）
(责编：木胜玉、朱红霞)我果首次通过计算获得黑洞在暗物质晕中光学阴影_科技_贵阳网
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我果首次通过计算获得黑洞在暗物质晕中光学阴影
来源：新华网&&
　　黑洞阴影，是指当黑洞后面存在一个遥远的光源时，地球上的观测者所看到的黑洞在天空中的剪影，这也是爱因斯坦广义相对论的自然结果。云南天文台研究人员日前首次通过计算获得银河系中心黑洞在暗物质晕中的光学阴影，研究成果发表在最新一期著名国际期刊《宇宙学与粒子天体物理杂志》上。
　　对黑洞阴影的观测，被认为是直接探测黑洞的一种重要方法，并且可以加深对黑洞本质的认识。因此，研究不同时空下的黑洞阴影，成为天体物理领域的热点。国外建设中的“黑洞视界望远镜”的科学目标，就是为了获得银河系中心黑洞人马座A星和处女座星系中心黑洞M87的阴影。
　　对暗物质的理论和观测研究是当前天体物理学的一个重要领域。银河系中心暗物质密度高，是可观测的最强的暗物质源。近年来费米卫星等高能天文方面的观测，也为银河系中心存在暗物质提供了新证据，因此研究银河系中心黑洞人马座A星在暗物质晕中的阴影，具有特别重要的意义。
　　云南天文台高能天体物理研究组副研究员侯贤等人研究了在冷暗物质模型和标量暗物质模型下，黑洞人马座A星的阴影。结果发现，暗物质晕对黑洞阴影的影响很小，但要观测到两种暗物质晕对黑洞阴影的影响，所需要的望远镜的角分辨率，超过了当前黑洞视界望远镜所能达到的水平。此外，两种暗物质晕所要求的角分辨率相差100倍。
　　研究结果表明，探测暗物质晕对人马座A星阴影的影响，需要具有更高角分辨率的天文设备。同时，观测人马座A星阴影，为鉴别两种暗物质模型提供了新途径，有助于人们更好地认识暗物质的本质属性。（记者赵汉斌）
责任编辑：杨博文
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