物理学知识科普之“黑洞”

发布时间:2019-05-09来源:基础科学部阅读次数: 【字体:

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北京时间4月10日晚人类历史上首张黑洞照片在全球多地同步发布。这一消息引发广全世界泛关注。那么,黑洞有哪些有趣知识?这里做一简单介绍。

黑洞不是“洞”它是一类天体

首先,黑洞不是“洞”,而是一类天体。就像我们的太阳、地球或者月亮一样,只不过是一类天体而已,准确地讲是一类天体发展到一定阶段的一种形态。

为什么我们称之为“黑洞”呢?原因是这样的:一般人们都知道,所有有质量的物体都存在对其他有质量的物体的引力作用,即万有引力。万有引力定律是英国著名科学家艾萨克·牛顿在数百年以前发现的,研究论文于1687年发表在自然哲学的数学原理一书中。其内容是说:任意两个有质量的物体之间存在通过连心线方向上的力相互吸引力,万有引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比,与两物体的化学组和其间介质类无关。实际上,我们知道,月亮绕着地球在转动,地球也绕着太阳在转动,这些都是万有引力存在的一种表现形式。如果某个特定天体发展到某个特定的状态,即质量特别大、半径特别小(物质的密度特别大)的时候,其对其一定范围内其它物体的万有引力就特别大,以至于大到把在其一定范围内的光物质都可以吸引到它的周围,这样,由于这类天体没有光的发射或者反射,人们就看不到这类天体的存在,这就是“黑洞”。人们用裸眼或者望远镜能够看到物体或者天体的存在,是因为物体或者天体有光发射或者反射其它发光物体照射到其表面的光。“黑体”将在其一定范围内的光物质都吸引进去了,既没有光发射出来,也没有光反射出来,当然人们就看不到它们的存在。这就是人们称之为“黑体”的意义。

首张“黑洞”照片发布,为什么会引全世界广泛关注?

为了讨论这个问题,我们首先必须提及出生在德国的犹太裔著名物理学家
阿尔伯特·爱因斯坦Albert.Einstein1879314日—1955418日)1905爱因斯坦发表量子论,提出光量子假说,解决了光电效应的理论问题(1921年爱因斯坦因光电效应研究而获得诺贝尔物理学奖)。同年(1905年),完成论动体的电动力学的论文,提出狭义相对论(special relativity广义相对论(General Relativity描写物质间万有引力相互作用的理论。爱因斯坦1915年完成。这一理论首次把引力场解释成时空的弯曲创建了引力场方程,开创了有一个物理学的新纪元。

191512月,在爱因斯坦发表广义相对论引力场方程1个月后,德国天文学家卡尔·史瓦西即得到爱因斯坦引力场方程的精确解,能够对于点质量与球形质量所产生的引力场给出描述。该精确解算出,如果某天体全部质量都压缩到很小的“引力半径”范围之内,所有物质、能量(包括光线)都被囚禁在内,从外界看,这天体就是绝对黑暗的存在,也就是“黑洞”。 所以,一个世纪以前,正是由天才物理学家爱因斯坦1915年提出的广义相对论推导出了黑洞的存在

一百多年以来,科学家们在关于“黑洞”的观察方面取得了很大的进展。1970年,美国的“自由”人造卫星现了与其他射线源不同的天鹅座X-1,位于天鹅座X-1上的是一个比太阳重30多倍的巨大蓝色星球,该星球被一个重约10个太阳质量的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞,它就是人类发现的第一个黑洞201531日,北京大学吴学兵教授等人在一个发光类星体里发现了一颗质量为太阳120亿倍的黑洞2017127日,美国卡耐基科学研究所科学家发现有史以来最遥远的超大质量黑洞,其质量是太阳的8亿倍但是,这些发现,都不能说是。

证明“黑洞”存在的直接证据——“黑洞”照片

黑洞是一种体积极小、质量极大的天体,具有非常强的引力,在它周围的一定区域内,连光也无法逃逸出去,这个边界称为“事件视界”。那么,科学家们要如何拍到连光都会吞噬掉的“黑洞”照片的呢?你可以说黑洞本身是黑的,完全看不见,但是周围的物质在进入黑洞里面的一瞬间是非常亮的,也就是变成黑洞的那一瞬间其实是最亮的,所以我们现在要拍的是周围物质掉进去那一瞬间的照片。

为了能够得到说明“看到了”“黑洞”存在的直接证据——黑洞照片,2017科学家们设计了地球大小的望远镜设备用于观察“黑洞”的存在的直接证据,拍摄“黑洞”照片这个“地球大小”的望远镜设备由全球各地的8个射电观测台组成,模拟出一台具有行星规模的天文设备。这组巨大的天文设备取名为事件视界望远镜,其囊括了位于西班牙、美国和南极等地的射电望远镜。望远镜目标最终指向距离地球25000光年的人马座A*黑洞以及M87星系黑洞。前者是位于银河系中心一个亮度极高且致密的无线电波源,属于人马座A星系的一部分,星系的心脏就是超大质量黑洞的所在,它也被看作研究黑洞物理的最佳对象;而M87星系核心的黑洞质量,估计可能会达到30亿至64亿个太阳质量。全世界200多位科学家经过一年多的实验观察和数据分析于整理,于美国东部时间20194109时(北京时间1021时),全球多地天文学家同步公布了人类历史上首张黑洞照片该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环。

所以人类历史上首张黑洞照片意义重大。