黑洞离我们那么遥远,又看不到,我们是如何找到它的?

1961年,前苏联自行废除了与美国签订3年内不搞核武器的协议,进行了一次人类上最大威力的原子弹试验。

美国慌了!

连忙实施一个紧急计划,组织成立了一个团队,研究如何利用空间探测器,探测核爆炸放出的X射线、γ射线和高能粒子。这对监测苏联未来的核试验是很重要的。

这项计划,在短短的16年间(1962年—1978年),使得X射线望远镜的测量精度提高了30万倍。X射线望远镜测量精度的提高,从而让我们对宇宙的认识发生了革命性的变化。因为,它的使命并不仅仅是为了探测苏联的核试验,后来它成为探测来自太空X射线的主要利器。

X射线望远镜,也成为我们要寻找黑洞的第一个主角,闪亮登场了……

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我国首次发射成功的X射线望远镜

要寻找一个黑洞,我们要从哪里找?

太阳系里不可能有黑洞,否则行星的轨道会被它强大的引力纠乱。

因为黑洞是由大质量恒星坍缩形成的,所以最近的黑洞,不太可能比我们发现的,最近的大质量恒星天狼星还更近,它离我们有8光年。再退一步,肯定不会比离太阳最近的恒星半人马座α更近,它离我们有4光年。

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我们知道,黑洞连光都没法从里面逃出来,我们用光学望远镜肯定是看不到它的。可是,它在经过恒星时,这个在它背后的恒星是不是会被它遮挡一下,这样我们就能感觉到黑洞的存在了呢?还是不行。

因为一个一般大小的黑洞,周长大概也只是50千米,它的圆盘张成的角不会大于10^-7弧秒。这样大小的黑洞,从离我们4光年远的地方去看,比我们看月球上的一根头发的直径还小。比世界上最好的望远镜所能分辨的东西还小1000万倍。这么小的暗天体,我们是不可能发现它的。

为了寻找黑洞,科学家们绞尽了脑汁。前苏联的科学家泽尔多维奇,首先想出了一个似乎行之有效的办法。他认为,如果恒星与伴星相互环绕形成一个双星系统,那么从恒星运动的速度就可以测量伴星的质量,恒星运动的速度越快,说明这个伴星的质量越大,如果这个伴星质量大于2个太阳质量,并且没有发出一点光,那它有可能是一个黑洞。

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虽然,这个办法进步了些,但还是存在一些问题:第一,估算的暗伴星的质量很容易出现大误差;第二,黑洞不是恒星能有的唯一暗伙伴,这个我们认为的黑洞,也可能是两个轨道紧密的总质量达3个太阳质量的冷白矮星,或是2个轨道紧密的暗中子星。

后来泽尔多维奇和诺维科夫又想到了一个更好的方法。因为黑洞会吸引绕着它转的恒星周围的气体,形成一个吸积盘,从而让气体加热形成辐射。因此,为了找黑洞,可以将光学望远镜与X射线望远镜结合起来。在黑洞候选者所在的双星系统,一个是光学望远镜可以看到的亮星,但是没有X射线;另一个应该是在光学望远镜上看不到,而发现有X射线的天体。

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于是他们得出结论,在双星系统中,有一个光学望远镜看不到,而发现有明亮的X射线的天体,并且质量大于2个太阳质量,则这个伴星很有可能就是黑洞。

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当时的X射线望远镜还比较低级,为了避免大气层对辐射的干扰,科学家们想到的是,把探测X射线的仪器送到天上去。

1946年6月28日,为了研究太阳的紫外辐射,美国海军研究所的弗里德曼领导的团队,第一次用二战中缴获的德国V-2火箭把光谱仪发送到大气层之外。V-2火箭后来还搭载了盖革计算器,不仅用于探测太阳的紫外线还探测其他恒星的辐射,但是当时探测仪器的灵敏度还是太低了。

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弗里德曼和他的X射线探测器

直到1961年,像文中开头所说的,为了探测苏联核爆的辐射,美国在物理学家贾柯尼的领导下,开始研究X射线飞行探测器,并于1962年6月18日,第一次发现了来自太阳系之外天蝎座的X射线。

1970年12月。贾柯尼小组制造的“自由号”X射线探测卫星终于上天了。接着在1978年,他们又放飞了一颗大卫星,称做爱因斯坦号,这才是世界上第一个真正意义上的X射线望远镜。

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艺术家对爱因斯坦望远镜的描绘

从贾柯尼火箭到爱因斯坦望远镜的发射,在这短短的16年时间里,X射线探测器的角测量精度提高了30万倍。1999年发射升空的”钱德拉X射线观测台”,它的功能更加强大,对探测星系、类星体和恒星以及寻找黑洞、暗物质的踪迹有着非常重要的意义。

1964年发现的天鹅X-1,当时并不能确定是不是黑洞,后来用自由号和爱因斯坦X射线望远镜证实了它就是一个黑洞,这也是人类在宇宙中发现的第一个黑洞。

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黑洞的辐射其实就是电磁波,当然不只是X射线,还有无线电波(射电波)等。无线电波是与X射线相对的另一个极端,X射线的波长很短,而无线电波的波长却很长。

1932年,杨斯基首次发现了来自银河系的宇宙无线电波,并且这次无线电波的强度竟然比太阳发出的还要强。这就让人不得不产生一个疑问:银河系中大多数的恒星,距离我们比太阳还远10亿倍,它们发出无线电波的强度,应该比太阳弱10亿的平方倍才对呀?为什么它还会比太阳强呢?

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世界上最大的射电望远镜-中国贵州天眼望远镜

为了探索宇宙这些秘密,射电望远镜诞生了。射电望远镜的发展过程,这里我们就不多说了,今年荣获诺贝尔物理学奖的莱恩哈德.根策尔和安德烈娅.盖兹,就是通过射电望远镜,观测银河系区域中心,发现那里存在着一个,质量为太阳质量的400万倍的巨型黑洞。

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寻找黑洞的过程,伴随着的,就是X射线望远镜和射电望远镜的发展过程,也是人类不断探索宇宙秘密的一个过程。

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