探尋黑洞

葉肖娜

黑洞自命名之日起，就吸引著人們的關注，它常常與神秘、未知、危險等詞聯系在一起，成為許多科幻電影的靈感源泉。在2014年的科幻電影《星際穿越》中，黑洞被塑造成一個周圍環(huán)繞著明亮光環(huán)，看似一團漆黑的球形洞穴，但這只是根據牛頓定律、相對論物理定律、量子理論和量子引力理論，通過推測、想象設計出的黑洞形態(tài)。直到2019年4月，有中國科學家參與的事件視界望遠鏡合作組織才發(fā)布了第一張黑洞的照片，該黑洞是距離地球5500萬光年的M87黑洞。

神秘黑洞的由來

恒星通過核聚變產生能量并維持穩(wěn)定，當大質量恒星演化到晚年，所有核燃料耗盡無法保持溫度時，星體會迅速內爆收縮，產生引力塌縮現象，最后可能會形成黑洞?？茖W家陸續(xù)通過愛因斯坦廣義相對論和一些間接證據證實了黑洞的存在。根據愛因斯坦的理論可知。時空彎曲與物質運動相互影響，當光子通過彎曲時空時，引力場作用使其行進路徑發(fā)生改變。發(fā)生光線的彎曲，在最極端的情況下。時空彎曲到光線都無法逃逸的程度，就形成了由彎曲時空構成的黑洞。所以，黑洞是一個內部密度極高的天體，所有物質落入其中都會被困住，即使速度最快的光也無法逃逸。

找尋“不露形跡”的黑洞

黑洞吸收了所有通過它的光線，所以在黑暗的太空中巡查黑洞是一項巨大的挑戰(zhàn)。盡管黑洞無法用普通的天文望遠鏡直接觀測到，但黑洞具有巨大的引力，可以根據黑洞與其他天體的引力效應來推測黑洞的存在和方位。如果黑洞與附近的一個可見星體構成雙星。形成可見的亮伴星和不可見的隱秘伴星，通過觀察亮伴星的運行規(guī)律可以推斷隱秘伴星的存在，如果隱秘伴星的質量大于某一個界限。那么這個隱秘伴星很可能就是一個黑洞。

抱著這種想法。1964年，蘇聯理論天體物理學家雅可夫，澤爾多維奇開始尋找黑洞，但是。只從雙星系統(tǒng)中尋找黑洞無異于大海撈針。根據科學家們推測，雙星系統(tǒng)中的黑洞不但擁有強大的引力，還可以將周圍的物質俘獲。這些物質被吸引并沖向黑洞時，產生巨大的摩擦力和壓力，從而變熱并釋放出強烈輻射，如X射線。按照這個理論，人們先由在軌衛(wèi)星偵測出釋放的射線信息，再由地基望遠鏡搜索太空中這一區(qū)域的異?，F象，找到一顆亮伴星或星際云氣團，觀測其運行軌跡，根據雙星系統(tǒng)找到隱秘伴星，估計其質量，以此判斷是不是黑洞，據此。1970年首個黑洞——天鵝X-1被發(fā)現。除了銀河系，科學家們還在銀河外星系中找尋黑洞。

辨別“不同種類”的黑洞

多年來，通過地面天文臺、引力波、脈沖星和事件視界望遠鏡等探測宇宙的工具，人們已經掌握了尋找黑洞的方法，但把黑洞區(qū)分開來也不是件容易的事。因為黑洞外面的引力場和電磁場由黑洞的物理屬性決定，所以可以通過黑洞的質量、角動量和電荷來區(qū)分它們。

其中，質量是黑洞最重要的屬性。它決定了黑洞的引力大小，也最好測量。通常情況下，黑洞的質量越大，引力場就越強，角動量是指黑洞自身圍繞中心軸旋轉時的動量表現，和黑洞的質量、旋轉速度及與中心軸之間的距離有關。理論上，黑洞可以不自轉，但現實中觀測到的黑洞都在快速自轉。由于巨大的質量，黑洞的自轉非常穩(wěn)定，自轉軸在很長的時間里都不會發(fā)生變化。電荷是衡量黑洞帶電多少的一個物理量，黑洞的電荷也可以為零，表示不帶電。根據黑洞的以上屬性。我們可以把黑洞分成四種類型：不帶電荷不旋轉的黑洞、帶電荷但不旋轉的黑洞、不帶電荷旋轉的黑洞、既帶電荷又旋轉的黑洞，此外，天文學家還根據黑洞的質量將黑洞分為三種主要類型，分別是恒星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。

黑洞的研究對我們理解宇宙的演化和宇宙中光的傳播現象具有重要意義。目前?？茖W家們對黑洞仍存有很多疑問，例如，黑洞的內部究竟是怎樣的？黑洞最終會消失嗎？這些問題都等著我們來探索、尋找和發(fā)現，并將更多的宇宙謎團揭開。