我们都听说过黑洞的概念,并且知道每个星系中都存在超大质量的黑洞,仅仅因为没有足够的“食物”供应,黑洞就不会发光。那么,如何证明黑洞的存在呢?黑洞是如何吞噬恒星的?
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以下是沈荣峰在中山大学物理与天文学院的演讲全文:
我今天想和你谈谈黑洞如何吞噬恒星。我们都听说过黑洞的概念。我们知道黑洞不发光。任何光子都无法逃脱其引力范围。没有辐射就看不见黑洞。我们如何证明黑洞的存在?找出它在宇宙中的位置?
x射线来自哪里?
这可以追溯到20世纪60年代和70年代,当时人类发射的x光探测器太空。x光是具有极高能量的光子,我们用来照射x光。
那时,我们发现在太空有几个非常强的X射线源,这些X射线是从哪里来的?它不太可能来自普通恒星,因为恒星的表面温度不够高。
然后有人猜测这可能是一颗双星,其中一颗是恒星,另一颗是致密天体。
恒星表面的气体可能被致密天体的强大力场吸引,然后这些气体在致密恒星周围形成一个圆盘。气体从这个圆盘流向这颗致密的恒星。磁盘的温度将被加热到非常高的温度,所以它可能会发出大量的X射线。
然而,这不能告诉我们致密天体是黑洞,因为其他种类的致密天体也能产生这样的X射线发射。
在这个问题上,其中一个X射线源特别亮,叫做天鹅座X1。两位著名学者在这个源头上打了一个赌,也设立了一个赌。一个是霍金,他一生都在研究黑洞,另一个是吉普霍恩,他在前年获得了诺贝尔奖。
霍金说,如果天鹅座X1被证明是一个黑洞,他会输,否则他会赢。
霍金与打赌
为什么会有这样的赌注?这是他的双重保险策略,“尽管我研究黑洞,如果证实这只天鹅X1不是黑洞,我会赢,至少我能赢这个赌注”。赌注的赌注价值是当时流行的杂志。最后,天鹅座X1的来源被证实是一个真正的黑洞。
如何测量和探测黑洞?
你怎么知道这是一个真正的黑洞?根据密集物体的质量,这些密集物体是如何形成的?
当一颗恒星死亡时,它的内核塌缩形成一颗致密的恒星。如果要形成黑洞,恒星的质量必须非常大。最终,黑洞的质量是太阳质量的3倍,其他致密天体的数量也小于这个值。
只要我们能准确测量致密天体的质量,我们就能知道它是否是黑洞。怎么做?
通过测量双星中可见恒星的运动,这个黄色的圆就是黑洞周围形成的吸积盘。从光学角度看,你只能看到这颗大恒星。通过测量它的速度随时间的变化,我们可以知道这颗致密恒星的质量。最后,我们测量出黑洞天鹅座X1的质量是太阳质量的14倍。
这种双星中的黑洞代表一类质量级的黑洞,我们称之为“恒星质量级”黑洞。此外,我们知道宇宙中有质量更大的黑洞,它们被称为“超大质量黑洞”。它们都在银河系的中心,我们怎么能探测到它们呢?
这些星系的中心有许多气体。这些气体实际上是黑洞的食物。如果这些气体接近黑洞,它们会螺旋进入中心。
右图是最近拍摄的一个遥远星系的巨大黑洞。这是一个叫做M847的星系的中心。中间的黑色区域是黑洞造成的阴影,周围的环是这些气体环绕形成的图像。
来源:互联网
通过吸积盘观察到的黑洞
我们居住的星系中还有一个超大质量黑洞。通过多年观察银河系中恒星的轨道,我们可以精确地画出这些恒星的轨道,然后计算出这个黑洞的位置和质量。
恒星的轨道
黑洞是如何吞噬恒星的?
看看宇宙,我们几乎可以说每个星系中都存在超大质量黑洞,但并不一定每个星系都有大量气体,因此大多数星系都没有足够的“食物”供应,黑洞也不会发光。
大多数星系黑洞都处于“休眠”状态。我们如何发现这些处于“休眠”状态的黑洞?
大自然给了我们另一种方法。显示的动画是一个数值模拟。图片的中心是一个黑洞。一颗恒星移动到它的附近并被完全撕裂。明亮的区域是被撕裂的恒星的碎片气体。
然后它们相互碰撞,它们的轨道会变得越来越圆,最终它们会形成一个辐射非常明亮的圆盘。
这为我们探索冬眠的黑洞提供了一种方法。这些黑洞会偶然吞噬一颗恒星。如果食物和物质突然被提供给它,光线会变得非常明亮,我们可以探测到黑洞的存在。
如果发生这样的事情,需要多少步骤?
第一步:首先切割恒星(潮汐解体)。
潮汐解体
就像吃面包一样,它会被撕成碎片。这是通过黑洞的潮汐力实现的。当恒星的质量移动到很大程度时,它会像面条一样伸展,然后恒星的成分会变得非常弥散。
这种潮汐力是由恒星上黑洞的引力和恒星两侧的差异造成的。地球和月球之间也有差异。地球面对月亮或者背向月亮。引力是不同的。这就是潮汐在地球上涨落的原因。
第二步:吞咽(积聚气体碎片)。
当恒星被撕裂后,它的碎片气体会重新接触并相互碰撞,它们的轨道会变得越来越圆,最终形成一个圆盘,气体在其中流向黑洞并被黑洞吞噬。
积聚的气体碎片
第三步:打嗝(产生辐射)。
气体在被吞噬的过程中会产生强烈的电磁波辐射,并能在短时间内发出强光。我们称之为燃烧辐射,就像吃东西后黑洞打嗝一样。
当我们探测到这种辐射时,我们可以知道这样的黑洞确实存在于星系的中心。
产生辐射
这个方法是30多年前由英国剑桥大学的天体物理学家马丁·里斯教授开发的。
马丁·里斯
自1988年以来,我们已经发现了大约30例潮汐塌陷。
5种典型情况的亮度变化曲线
上图是由5种典型情况的亮度变化组成的曲线。
为什么潮汐崩解事件如此罕见?
为什么迄今为止探索的事件如此之少?因为恒星被潮汐扰乱的可能性非常小。
恒星被黑洞潮汐分解,这要求它非常靠近黑洞。然而,这些恒星离黑洞非常远。从黑洞到这些恒星解体时所在区域的距离之比是100万比1或者1000万比1。
当一颗恒星移动到黑洞附近时,它需要通过恒星和恒星之间的相遇,这就像打台球一样,但是在这个过程中,恒星不会相遇。在彼此接触之前,两者之间的引力改变了恒星的轨道,这就是引力散射的过程。
重力散射
这个事件的概率很低,就像你想把一枚硬币扔进10公里外的下水道,这个下水道被一个盖子盖住,盖子上有一个空的缺口,把这个硬币扔进10公里外的下水道是非常困难的。
我是如何开始研究这些事件的?当我2011年在国外做博士后时,天文学家发现了一个这样的案例,它的代号是Swift J1644+57。这是案例发生后亮度衰减的曲线。可以看出亮度随着时间的推移逐渐降低。
辐射来自气体形成的吸积盘。这些物质进入黑洞并被吞噬的过程是圆盘质量逐渐衰减的过程。当气体越来越少时,它的亮度变得越来越低。
当这个事件引起我的兴趣时,我开始思考盘子里的物质是如何减少的。当里斯提出这个模型时,他的预测是一个连续的衰减过程,如图所示。
然而,我发现这个圆盘中气体的亮度并没有随时间平滑下降,而是有一个扭结,如下图中的红色圆圈所示。
这一事件显示亮度下降非常快。
因为这个光源非常亮,可以观察很长时间,下面的观察结果,如红色圆圈显示,确实表明它的亮度已经经历了一个快速下降阶段。我很高兴看到这样的数据,因为它非常符合我的模型的预测。
为什么吸积盘的气体亮度突然降低?
为什么亮度会突然降低?这是因为磁盘在随时间演变的过程中会经历三种不同的物理状态,如下图所示。它分为三个部分。中段不稳定。当光盘进入这个阶段,它变得不稳定。
然而,气体盘可以将自身调节到相对稳定的状态,并且该阶段对应于曲线的最低部分。在这里,气体以比以前低得多的速度流入黑洞,这使得圆盘的亮度非常低。
这个过程就像我们坐飞机着陆一样。着陆前,飞机平稳飞行。然而,由于高度下降,大气变得不稳定,飞机将经历短暂的抖动,所以飞行员必须使飞机迅速下降。当它降落到一个较低的区域时,大气将变得相对稳定,因此随后的着陆过程将变得相对稳定和缓慢。
亮度随时间衰减过程的物理解释随后在另外三个潮汐崩塌案例中得到了验证。其他三个解体案例在后期也有相对急剧的下降。
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恒星解体的过程非常有趣。除了亮度衰减的特性,还有其他过程值得研究。
例如,如果一个黑洞正在快速旋转,旋转特性将影响气体回落形成圆盘的过程。亮度变化曲线有什么特征?这也是一个非常有趣的方向,值得研究。
此外,在恒星解体之前,它将非常靠近黑洞。这个过程相当于更强引力波的辐射,引力波像电磁波一样,是研究天体的一种全新手段。这也是潮汐解体案例的一个有趣的研究方向。
但是我们需要观察更多这样的案例。因为这种情况不常发生,我们需要能够在某个时刻同时观察到天空空的大面积,这就是为什么我们建造了具有更宽观察区域的更灵敏的望远镜。
这是正在中国建造的爱因斯坦探测望远镜。
我们预计将来会有更多这样的情况,更多的黑洞会被发现,我们会对黑洞如何经历潮汐解体过程有更清楚的了解。
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