宇宙中的黑洞引力强到能把光都吸进去,那科学家是怎么证实黑洞存在的呢?

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收藏|2020/03/02 15:02

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2020/03/02 15:17

1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦场方程的一个真空解,这个解表明,如果一个静态球对称星体实际半径小于一个定值,其周围会产生奇异的现象,即存在一个界面——“视界”,一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱。这个定值称作史瓦西半径,这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。黑洞无法直接观测,但可以借由间接方式得知其存在与质量,并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因黑洞引力带来的加速度导致的摩擦而放出x射线和γ射线的“边缘讯息”,可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹,还可以取得位置以及质量。北京时间2019年4月10日21时,人类首张黑洞照片面世,该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环。爱因斯坦广义相对论被证明在极端条件下仍然成立。EHT此次公布的发现,来自梅西耶87(M87)黑洞。黑洞会在周围吸积气体的辐射构成的“背景墙”上投下一个剪影。之所以会形成这样一个“阴影”,是因为黑洞会把从它背后发出并射向观测者的光线全部吞噬。与此同时,从黑洞背后发出又刚好擦过视界的其他光线,会使“阴影”周围增亮而形成一片明亮区域。强大的引力透镜效应会弯折光线,就连处在黑洞正后方的物质发出的光线,都能被弯折到黑暗区域的周围贡献一部分“光亮”。由此产生的黑色剪影就是所谓的“黑洞大头照”——在这张照片上,黑洞完全是一团漆黑,可谓名副其实。这个阴影不会是一个对称的圆盘,这主要是因为周围气体的旋转速度极高,几乎要接近光速。如此高速运动的物质发出的辐射会发生多普勒频移,辐射方向也会向物质运动的方向汇聚而形成一个狭窄的光锥。因此,在旋转气体朝向我们运动的一侧,辐射会大大增强,而在背向我们运动的另一侧,辐射会大幅减弱。这样一来,出现在圆盘状黑暗剪影周围的就不会是一个完整的亮环,而是一个新月状亮弧。只有在我们的视线恰好与吸积盘旋转轴重合的情况下,这样的不对称才会消失。黑洞本身的自转也会产生类似效果,但自转方向可能与吸积盘旋转的方向不同。因此这样的照片能让天文学家确定这个黑洞自转的方向,以及吸积盘相对于黑洞自转的倾斜角。这两个参数对天体物理学来说同等重要,这些数据将为吸积理论提供无价的观测输入,彻底解决气体密度和吸积流内边缘几何结构的问题

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