北京時(shí)間 1 月 4 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，物理學(xué)家如今正處于了解黑洞的黃金時(shí)代。
自 2015 年以來(lái)，研究人員已經(jīng)能夠使用激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）獲得黑洞并合產(chǎn)生的信號(hào)，而諸如事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）等望遠(yuǎn)鏡曾拍攝到黑洞陰影的第一張照片。
2020 年也不例外：一系列令人興奮且獨(dú)特的發(fā)現(xiàn)加深了我們對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)。下面，讓我們一起來(lái)回顧一番 2020 年的十大黑洞發(fā)現(xiàn)。
2020 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰黑洞發(fā)現(xiàn)
仿佛是為了證明今年是黑洞研究成果卓著的一年，科學(xué)領(lǐng)域的最高成就獎(jiǎng)——諾貝爾獎(jiǎng)，在今年 10 月份頒給了三名研究這些神秘宇宙天體的物理學(xué)家。他們分別是英國(guó)牛津大學(xué)的羅杰 · 彭羅斯——因 “發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)了黑洞的形成”而獲得一半的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以及 UCLA 的安德里亞 · 蓋茲和德國(guó)波恩大學(xué)與馬克斯 · 普朗克宇宙物理研究所的萊因哈德 · 根澤爾——因 “發(fā)現(xiàn)銀河系中心的超大致密物體”而共同分享另一半的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。蓋茲是迄今為止，第四位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性。其他三位獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的女性分別為居里夫人（1903 年）、瑪麗亞 · 格佩特 - 梅耶（1963 年）和唐娜 · 斯特里克蘭（2018 年）。
LIGO 觀測(cè)到迄今為止最大的黑洞并合
LIGO 和歐洲的另一座引力波天文臺(tái) Virgo 可通過(guò)引力波觀測(cè)黑洞。引力波即大質(zhì)量物體振動(dòng)時(shí)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中引起的巨大漣漪。LIGO-Virgo 引力波天文臺(tái)已經(jīng)貢獻(xiàn)了許多令人印象深刻的發(fā)現(xiàn)。但是，在今年 5 月份，LIGO-Virgo 合作團(tuán)隊(duì)宣布，發(fā)現(xiàn)迄今為止觀測(cè)到的最大質(zhì)量黑洞碰撞。這兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別為 85 倍太陽(yáng)質(zhì)量和 66 倍太陽(yáng)質(zhì)量，碰撞并合為一個(gè) 142 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。除了打破原有記錄之外，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也是處于所謂的中等質(zhì)量黑洞 “禁區(qū)”范圍內(nèi)的第一個(gè)發(fā)現(xiàn)。雖然天文學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)到與太陽(yáng)大小差不多的小質(zhì)量黑洞，也知道各個(gè)星系中心存在著幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大黑洞，但在此之前尚未有人發(fā)現(xiàn)這一中等質(zhì)量黑洞的存在證據(jù)。中等質(zhì)量黑洞的確切形成仍有待科學(xué)家進(jìn)一步探索。
太初黑洞
宇宙大爆炸之后的極短時(shí)間內(nèi)，整個(gè)宇宙彌漫著熾熱湍急的輻射。在某些區(qū)域，能量十分致密，以至于在理論上，這部分能量本身會(huì)坍縮并形成一個(gè)黑洞。雖然物理學(xué)家尚不清楚這些太初黑洞（PBH）是否存在，但他們已經(jīng)在設(shè)想太初黑洞若存在的話，會(huì)帶來(lái)哪些變化。數(shù)篇論文已經(jīng)表明，有些比垂死恒星形成的黑洞更小的黑洞或可構(gòu)成暗物質(zhì)——一種在宇宙中產(chǎn)生引力影響的神秘物質(zhì)。未來(lái)，科學(xué)家將開(kāi)展更多實(shí)驗(yàn)，來(lái)尋找太初黑洞，以證明或反駁這些太初黑洞的存在。
可能存在極大質(zhì)量黑洞
如果把星系中心的超大質(zhì)量黑洞合并到一起然后分成 11 個(gè)黑洞，結(jié)果會(huì)怎樣呢？9 月份發(fā)表的一份論文正討論了這種 “極大質(zhì)量黑洞”（SLAB）的存在可能性。極大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量至少可以達(dá)到 1 萬(wàn)億或更多個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。目前已知最大的黑洞是類(lèi)星體 TON 618，質(zhì)量約為 660 億倍太陽(yáng)質(zhì)量。極大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量將比 TON 618 的十倍還多。部分極大質(zhì)量黑洞可能形成于宇宙早期，是為另一種類(lèi)型的太初黑洞。這意味著，我們或許可以通過(guò)宇宙微波背景輻射尋找它們的蛛絲馬跡。宇宙微波背景輻射即 38 萬(wàn)年前的宇宙所留下的光輻射。另外，如果地球和遙遠(yuǎn)的恒星之間存在極大質(zhì)量黑洞的話，我們也可以通過(guò)引力透鏡效應(yīng)找到它們。目前，極大質(zhì)量黑洞雖然僅存在于假設(shè)層面，但已經(jīng)吸引越來(lái)越多的關(guān)注。
LIGO 發(fā)現(xiàn)不對(duì)稱黑洞并合
LIGO-Virgo 引力波天文臺(tái)檢測(cè)到的大多數(shù)雙黑洞系統(tǒng)，都由兩個(gè)質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮诙唇M成。但是在今年 4 月份，該合作團(tuán)隊(duì)宣布他們觀測(cè)到了最不對(duì)稱的黑洞并合。這兩個(gè)黑洞在 24 億光年外環(huán)繞并合，質(zhì)量分別為 8 倍太陽(yáng)質(zhì)量和 30 倍太陽(yáng)質(zhì)量。西北大學(xué)引力波科學(xué)家克里斯托弗 · 貝里寫(xiě)道：“這就好比將一塊普通的奧利奧餅干融進(jìn)一塊超級(jí)版奧利奧餅干?！敝?，天文學(xué)家認(rèn)為這樣的意外事件非常罕見(jiàn)，才運(yùn)行沒(méi)幾年的引力波設(shè)備未必能觀測(cè)到這些現(xiàn)象。但 LIGO-Virgo 合作團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)對(duì)上述假設(shè)提出了質(zhì)疑，并促使研究人員開(kāi)始考慮層級(jí)并合的可能性。這類(lèi)并合中，一個(gè)黑洞與另一個(gè)碰撞，接著碰撞后的殘余物繼續(xù)與第三個(gè)黑洞并合。
望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到黑洞將恒星 “意大利面條化”
當(dāng)一個(gè)超大質(zhì)量天體落入黑洞的特定距離范圍內(nèi)時(shí)，其中的極端引力可以將天體拉成細(xì)條狀，這個(gè)過(guò)程被形象地描述為 “意大利面條化”。由于大多數(shù)黑洞都隱藏在一層模糊不清的氣體和塵埃背后，意大利面條化的現(xiàn)象極少被觀測(cè)到。但是在今年 10 月份，歐洲南方天文臺(tái)的天文學(xué)家使用甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）和新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡（NTT）成功地捕捉到一顆恒星被 “意大利面條化”的過(guò)程，細(xì)節(jié)清晰之程度前所未有。這一事件標(biāo)記為 “AT 2019qiz”，將有助于研究人員更好地去了解極端環(huán)境下的引力。
距離最近的黑洞
誰(shuí)都不希望太靠近一個(gè)黑洞（結(jié)局請(qǐng)參考 “意大利面條化”）。幸運(yùn)的是，5 月份觀測(cè)到的宇宙吃豆人和另外兩顆繞其運(yùn)行的伴星互相之間正保持著安全的天文距離。這個(gè)由一個(gè)黑洞和兩顆恒星組成的三合星系統(tǒng)被稱為 “HR 6819”，位于南天星座望遠(yuǎn)鏡座，距離地球約 1000 光年。之前距離最近的黑洞，與地球的距離大約有 3000 多光年，是新紀(jì)錄的三倍多。天文學(xué)家并未直接觀測(cè)到該黑洞本身，而是根據(jù) HR 6819 系統(tǒng)中另外兩顆恒星軌跡在引力影響下出現(xiàn)的擺動(dòng)，推測(cè)出這個(gè)黑洞的存在。南半球的天文愛(ài)好者可以在晴朗的夜晚用肉眼觀測(cè)到 HR 6819 系統(tǒng)中的兩顆恒星。它們位于望遠(yuǎn)鏡座的西南角，靠近該星座與孔雀座和天壇座的交界處。
黑洞可能是一個(gè)模糊球
若要形成黑洞，物質(zhì)和能量必須先坍縮成一個(gè)密度無(wú)限大的微點(diǎn)。由于這樣的無(wú)窮大在物理上幾乎不可能，理論學(xué)家一直在嘗試想辦法解決這個(gè)離奇的結(jié)果。因此，他們提出一個(gè)弦理論，試圖用亞原子和振動(dòng)弦來(lái)替代所有粒子和力量。根據(jù)這個(gè)弦理論，黑洞可能是某種更為奇特的東西——由基本弦構(gòu)成的一個(gè)紗線狀的模糊球。今年 10 月份，一項(xiàng)研究表明，如果中子星（一種密度不足以形成黑洞的恒星殘?。┲械脑訉?shí)際上是一串弦的話，那么將這些弦壓縮在一起就可以形成一個(gè)模糊球，就是前述提到的基本紗線狀模糊球，而非黑洞。這個(gè)新奇的想法尚不完善，但或許是一個(gè)解決無(wú)窮大問(wèn)題的潛在途徑。
宇宙中可能潛伏著危險(xiǎn)的 “赤裸”黑洞
物理學(xué)家認(rèn)為，每一個(gè)黑洞應(yīng)該都隱藏在所謂的 “事件視界”背后。一旦落入事件視界這個(gè)邊界，誰(shuí)都不可能逃出來(lái)。但是，自黑洞這個(gè)概念首次提出來(lái)之后，研究人員就一直在思考，事件視界是否絕對(duì)必要。有沒(méi)有可能存在一個(gè)沒(méi)有事件視界的黑洞，即 “赤裸的”黑洞？如果存在，赤裸的黑洞將十分危險(xiǎn)。因?yàn)橐阎奈锢矶稍诤诙吹氖录暯绶秶鷥?nèi)完全不適用，而赤裸的黑洞則連這最后一層的保護(hù)屏障都沒(méi)有。盡管大多數(shù)理論學(xué)家認(rèn)為黑洞不可能赤裸存在，但 11 月份發(fā)表的一篇論文提出，可能有一種辦法可以證實(shí)這個(gè)猜想。技巧在于尋找吸積盤(pán)上的差異。吸積盤(pán)上的差異可以區(qū)分赤裸黑洞和正常黑洞。
黑洞寶庫(kù)
對(duì)于研究黑洞的科學(xué)家們而言，今年的圣誕驚喜來(lái)得特別早。10 月份，LIGO-Virgo 引力波天文臺(tái)合作團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一個(gè)全新的目錄，包含 2019 年 4 月到 9 月之間觀測(cè)到的數(shù)十種引力波信號(hào)。這 39 個(gè)事件包含許多有趣的發(fā)現(xiàn)，比如兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞并合成一個(gè) 142 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞、一個(gè)八倍太陽(yáng)質(zhì)量黑洞和一個(gè)三十倍太陽(yáng)質(zhì)量黑洞并合帶來(lái)罕見(jiàn)的極不對(duì)稱并合事件，以及看起來(lái)既像小質(zhì)量黑洞又像大型中子星的神秘天體。研究人員對(duì)這些數(shù)據(jù)感到非常驚喜。這些數(shù)據(jù)表明，該聯(lián)合設(shè)備平均每五天可以捕獲一個(gè)新信號(hào)。研究人員計(jì)劃使用這些數(shù)據(jù)來(lái)更好地了解黑洞并合的行為和頻率。
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