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物理学家目前正处于揭示黑洞新知识的黄金时代。自2015年以来,研究人员已经能够使用激光干涉仪引力波天文观测台(LIGO)直接从正在合并黑洞中获取信号,同时视界望远镜(EHT)等观测站已经生成了第一张黑洞阴影的图像。今年也如期望的一般,新收获的令人兴奋且独特的研究、观测结果在不断扩展着我们看黑洞的视野。接下来,让我们一起来看看2020年一些关于黑洞的惊人发现吧。

一、诺贝尔物理奖“走进”黑洞

2020年,天文学家发现了这10个巨大的黑洞,其中一个很诡异

似乎是为了证明:在黑洞研究这方面,今年是有伟大发现的一年,科学的最高成就——诺贝尔奖,于10月颁发给了三位阐明了这些神秘的宇宙实体生命的物理学家。英国牛津大学的罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)获得了一半的诺贝尔物理奖奖金,“因为发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测”。根据瑞典皇家科学院的反映,加州大学洛杉矶分校的安德里亚·格兹(Andrea Ghez)和毕业于波恩大学的并且同时兼任德国马克斯·普朗克地外物理研究所所长的莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)共同获得了另一半奖金,“因为在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”。

继1903年的居里夫人,1963年的玛丽亚·歌珀特·梅耶尔和2018年的唐娜·斯特里克兰之后,安德里亚·格兹(Andrea Ghez)是有史以来的第四位获得诺贝尔物理学奖的女性。

二、LIGO观测到了迄今为止最大的黑洞

2020年,天文学家发现了这10个巨大的黑洞,其中一个很诡异

(引用图片来源:N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno, and the SXS Collaboration)

LIGO及其欧洲同行的处女座通过引力波观测黑洞,当巨大的物体振动时,会在时空中产生巨大的波纹。这些设备已经获得了大量的令人印象深刻的发现。但是在五月份,合作方宣布已经探测出迄今为止最大的黑洞碰撞,是由一个85倍和一个66倍于太阳质量的两个黑洞碰撞而形成的,此黑洞的质量是太阳的142倍。

除了设置记录以外,这项发现是首次在所谓的“禁止”区域中观测中等质量的黑洞。虽然天文学家已经粗略地观测到了相对于太阳质量的小质量黑洞,并且知道星系中心存在相比太阳质量大数百万倍的巨大黑洞,但是从来没有人有证据证明这些中等范围的黑洞。它们确切的形成依然是一个谜团,科学家也正在努力地揭开这个谜团。

三、原始黑洞使它变大!

2020年,天文学家发现了这10个巨大的黑洞,其中一个很诡异

大爆炸后不久,宇宙中充满了炽热、湍急的辐射。在一些能量密度足够大的区域,理论上甚至可能会坍缩形成黑洞。虽然物理学家们还不清楚这些被成为原始黑洞(PBHs)的实体是否存在,但是他们最近一直在思考如果存在会发生什么。包括11月份发表的一篇论文在内的几篇研究论文都提出这些黑洞——其中一些或许比垂死恒星形成的黑洞还小——可能构成了暗物质,一种对整个宇宙具有引力影响的物质。在接下来的几年里,会有不少寻找PBHs的实验进行,并且会证明或者驳斥它们的存在。

四、超大型的黑洞可能存在

2020年,天文学家发现了这10个巨大的黑洞,其中一个很诡异

如果把星系中心的巨大黑洞变成11个会怎样?这正是研究人员们在9月份发表的一篇论文中提出的观点,这篇论文讨论了“超大型黑洞”(SLABs)存在的可能性。这些“超大型黑洞”的质量将至少是太阳质量的一万亿倍,比目前已知的最大的黑洞重10倍,其中一个拥有660亿太阳质量的庞然大物名叫“TON 618”。一些“超大型黑洞”可能形成于早期宇宙,使它们成为了另一类的原始黑洞,这也意味着我们可能能够在宇宙微波的背景中看到它们的印迹——这是宇宙只有38万岁时留下来的光。

如果我们之间有一个“超大型黑洞”,通过观察它们如何扭曲遥远恒星的光线,或许我们还可以发现其他的一些黑洞。这个概念目前还处于假设阶段,但是已经吸引了越来越多的关注。

五、LIGO探测到一个不平衡的合并

2020年,天文学家发现了这10个巨大的黑洞,其中一个很诡异

LIGO和室女座探测到的大多数黑洞二对的质量大致相同。但今年4月,该组织宣布,他们观测到了迄今为止最不对称的撞击。这两颗天体在24亿光年之外相撞,它们的质量分别是太阳的8倍和30倍。西北大学引力波科学家克里斯托弗·贝里在当时的一篇博文中写道:“这大致相当于一个普通奥利奥与一个超大奥利奥的比例。”这样的意外事件被认为是非常罕见的,以至于引力波设备在运行了几年之后就看不到它了。这一发现挑战了这些假设,并促使研究人员考虑层级合并的可能性。层级合并是指一个黑洞与另一个黑洞碰撞,然后产生的残余继续与另一个黑洞合并,作为一种解释。

六、望远镜观察黑洞把一颗恒星“做成意大利面状”

2020年,天文学家发现了这10个巨大的黑洞,其中一个很诡异

当一个有质量的物体在一定距离内到达一个黑洞时,巨大的引力可以将该物体撕成长条状的碎片并且抛洒在四周。这个过程,俗称“意大利面花化”并不是很常见因为大多数黑洞都配朦胧的气体团和尘埃围绕,它们就像黑洞前一顿饭的饱嗝声和未被消化的物质。但是在十月,欧洲南天文台的天文学家们成功通过史无前例的细节使用超大望远镜和新技术望远镜捕捉到一颗恒星的意大利面花化。这个猛烈的事件,被平淡地称为2019qiz,将让研究人员了解这些事件,并帮助他们更好地理解极端环境下的重力。

七、发现的离我们最近的黑洞

2020年,天文学家发现了这10个巨大的黑洞,其中一个很诡异

没有人想要离黑洞太近(参见意大利面花化的条目)。幸运的是,今年5月看到的这颗“吃豆人”与一对名为HR 6819的伴星在轨道上运行,它与伴星之间的距离是天文上的安全距离。这个新发现的黑洞潜伏在距离地球1000光年的南部望远镜星座,比之前的纪录保持者近了三倍。天文学家无法直接观测到黑洞本身,但可以根据它如何影响系统中另外两个物体的引力,拉动它们的轨道,推断出黑洞的存在。南半球的天文观测者可以通过查看星图和在孔雀座附近的天文望远镜看到HR 6819系统中的星星。

八、黑洞可能是毛球

2020年,天文学家发现了这10个巨大的黑洞,其中一个很诡异

黑洞的形成:质量和能量塌缩成一个密度无限大的小点。因为无限在物理学上是不存在的,所以理论家们一直不承认这一个结果。根据使用亚原子取代了所有粒子和力的弦理论,黑洞实际上可能是一种更奇怪的东西-一种由弦组成的毛绒绒的毛线球。在十月,一个研究表明,中子星(一种不足以致密得形成黑洞的恒星残骸)实际上是一束弦,这些弦挤压在一起不会形成黑洞而是一个看起来像黑洞的毛线球。这个理论仍需被具体化,但是它是一种解释无限的选择。

九、危险的“赤裸”黑洞可能潜伏在宇宙中

2020年,天文学家发现了这10个巨大的黑洞,其中一个很诡异

根据物理学家的说法,每个黑洞都应该被所谓的视界所包围——一个你一旦掉进去就再也出不来的边界。然而,自从首次提出黑洞的假设以来,研究人员一直想知道事件视界是否是严格必要的。有没有可能没有黑洞,也就是所谓的“裸”黑洞呢?这可能是危险的,因为已知的物理定律在黑洞的视界内失效了,而一个赤裸的黑洞不会提供这种屏障的保护。

尽管大多数理论家认为黑洞不允许出现裸露现象,但11月发表的一篇论文指出,可能有一种方法可以确定黑洞是否存在裸露现象。关键在于寻找吸积盘的不同之处。吸积盘是指当黑洞吸入气体时形成的气体和尘埃环,它可以显示出裸黑洞和正常黑洞的明显区别。

十、一个黑洞的宝库

2020年,天文学家发现了这10个巨大的黑洞,其中一个很诡异

对黑洞科学家来说,今年的圣诞节来得早。今年10月,监督LIGO和欧洲Virgo的合作项目发布了大量新的引力波信号目录,其中包括2019年4月至9月间探测到的数十个引力波信号。39事件包括许多有趣的结果,比如这个巨大的黑洞合并,导致一个遗迹有142倍太阳质量,极其不平衡的事件和群众八30次太阳和一个神秘的对象,似乎是一个小黑洞或中子星。

研究人员对这些数据感到兴奋,数据显示,这些设备平均每5天接收一个新信号,并计划利用这些数据更好地了解黑洞合并的行为和频率。

 

参考资料

根据9月2日发表于《物理评论快报》和《天体物理学杂志快报》的一系列论文,名为LIGO和Virgo的引力波探测器,探测到一个142倍太阳质量的黑洞。

这个黑洞由两个质量分别85倍和65倍于太阳的黑洞合并形成。这个合并而成的黑洞,是科学家通过引力波观测到的最大质量黑洞,也是首次观测到中等质量黑洞(100~1000倍太阳质量)。

此外,其中85倍太阳质量的黑洞,挑战了现有的天文学认知。此前天文学家认为,通过恒星坍缩不可能形成这一质量的黑洞。这项研究势必将帮助人类更好地理解黑洞的演化。

原文链接:http://www.toutiao.com/a6914464523827462660

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