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黑洞——尚未确认的天体存在(图)http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2004-02-29
■原始新闻 二○○四年二月十九日下午，一个由国际天文学家组成的研究组向公众展示了黑洞吞噬一个恒星的照片，图片上的景象非常壮观。科学家说，这颗“倒霉”的恒星在飞进一个黑洞时，在黑洞巨大的引力作用下变形，被肢解和被黑洞部分地吞没了。这个黑洞位于RXJ1242-11星系中心，距地球七亿光年。这个黑洞的质量是太阳的一亿倍。科学家相信，图中的恒星与我们的太阳差不多大，它在运行中受另一颗恒星的影响，“不慎”被黑洞俘获。 ■名词解释 黑洞这是理论预言的一种天体，空间的强引力区域，其脱离速度等于光速，因不会有光辐射逸出而得名。其基本特征是：具有一个封闭的视界，外来的辐射和物质可以进入视界之内，而视界内的任何物质都不能跑到外面。视界就是黑洞的边界。观测表明，在某些星系的核心可能有质量为108-109太阳质量的大型黑洞。迄今为止还没有直接寻找到黑洞。 “黑洞”是根据广义相对论预言存在的天体，它凭着自身的引力把空间中的一切“禁闭”起来。黑洞的大小若用质量相比较的话，那么具有太阳质量的黑洞，其半径只有3公里。黑洞把一切物质吸入，连光都不可能逃逸。巨大黑洞的起源之谜直到今天仍包裹在重重迷雾之中。黑洞是如何越变越大的，巨大黑洞与星系的诞生和演化又具有怎样的关系，需要解释的疑问还很多。 释放千万倍于太阳的能量 2004年2月中旬，天文学家通过美国国家航空航天局的钱德拉天文望远镜和欧洲的XMM牛顿X射线望远镜分别观测和证实了哈勃太空望远镜发现的罕见天文现象。黑洞理论虽然形成多年，但是由于黑洞不能被直接观测到，所以天文学界对黑洞的存在一直处在理论的水平上。这是科学家首次观测到恒星被黑洞肢解的情景，证实了该理论的正确。而这一特殊天文现象在一个星系中发生的概率是1万年一次。 不久前，日本京都大学的一个研究小组使用X射线观测卫星发现M82星系内的一个天体，从非常有限的空间发出大量X射线，这个天体主要放射3000电子伏特的高能X射线，其光度达到太阳全部光度的千万倍。 为了搞清这个天体的真实面目，科学家立即着手进行了反复达9次的观测，对可信数据的分析结果表明，这个天体在短短几天的时间里，其光度就发生了几倍的变化。这个天体光度的变化情况被美国麻省理工大学和内华达大学的科学家同时观测到。它的光度变化的直接原因目前还无法确定，但是却为科学家了解这一奇异天体的本来面目，提供了极其珍贵的数据，因为根据这些数据能够算出这个天体的大小，它的直径约为太阳与地球距离的数十倍，也就是说，它的大小充其量相当于太阳系。从如此小的区域内居然能够释放出相当于太阳1000万倍的能量，从现代物理学可知其惟一的可能就是黑洞。 不可思议的天体———黑洞 “黑洞”是根据广义相对论预言存在的天体，它凭着自身的引力把空间中的一切“禁闭”起来。黑洞的大小若用质量相比较的话，那么具有太阳质量的黑洞，其半径只有3公里。黑洞把一切物质吸入，连光都不可能逸出。在北斗七星的旁边，大熊座的“熊头”附近，有一个形状不伦不类的M82星系。直径达1200万光年的M82星系，有一条黑色缝隙横贯其中，所以它得到了一个“破裂星系”的绰号。这条黑色缝隙实际上是一个由混杂尘埃的气体构成的，而M82星系本身是一个标准的“透镜”型星系。M82星系具有显著的特征，其中心部位以超过别的星系数千倍的速度诞生着新的恒星。最近在被称为“星爆星系”的M82星系中，天文学家发现了待确认的奇异天体———黑洞，这在研究宇宙中存在的巨大黑洞起源的时候，具有极重大的意义。M82星系中的黑洞喷释出大量能量，这的确是异乎寻常的。 事实上，当物质被吸入黑洞的“地平线”下之前，黑洞极强的引力场引起了超高速运动，因引力下落的能量由于摩擦转变为热能，并最终转变为光能。近几年，有观测报告说在银河系中心似乎存在巨大黑洞，所谓“巨大黑洞”是指质量超过太阳100万倍以上的黑洞。如果存在巨大黑洞，那么在它周围的物质亦应当像绕太阳旋转的行星那样，遵循“开普勒行星运动三定律”，哈勃太空望远镜就在NGC4261、宝女座M84星系、宝女座M87星系等星系中心发现了高速旋转的气体。 星系中黑洞的质量 根据开普勒定律，气体的旋转速度应与其围绕天体的质量的平方根成正比，与旋转半径的平方根成反比。如果能够确定旋转速度和半径，就能求出那个天体的质量，NGC4261旋转半径为300光年以内，质量约为太阳质量的20亿倍；M84星系旋转半径为30光年以内，质量约为太阳质量的3亿倍；M87星系旋转半径为15光年以内，质量约为太阳质量的30亿倍。计算结果应当说是令人吃惊的！10亿倍太阳质量的黑洞的半径大约为10天文单位，也就是1光年的一万分之一。所以，哈勃太空望远镜的观测结果与黑洞的半径相比较，还没有把握住黑洞的外侧。 迄今为止已知的X射线双星系统最亮者达到太阳光度的100万倍程度，M82星系发现的X射线天体在此基础上又增高了10倍。由此估计这个黑洞的质量约为太阳的460倍到最大为1亿倍。总之，这个黑洞的质量很可能远远超过了太阳。这说明，在M82星系发现的是待确认的黑洞，而不单纯是超新星爆发后残存物。 1995年，有关科学家与美国史密森尼安天文台合作，使用超长基线电波干涉仪群观测了猎犬座NGC4258星系的中心区域，发现在NGC4258星系中心仅0.3光年的区域内，就存在相当太阳质量3600万倍的质量，而且获得了迄今为止最精确的旋转速度。由此，星系中心存在巨大黑洞几乎转瞬间便具有了可能性。来自这个星系中心的X射线发生了“引力红移”，这是非黑洞无法解释的。 所谓“引力红移”是在强引力作用下，时间似乎变慢的可用广义相对论解释的现象，在这种现象中光波长变长。这个现象被确认其意义就相当于直接观测到黑洞。科学家从此得到了巨大黑洞存在的强有力的证据。 任何星系都存在巨大黑洞吗？ 如果巨大黑洞只是存在于特定的星系的话，那么巨大黑洞可能就是这种特定星系特殊演化的结果。但是最新的观测资料开始表明大部分星系的中心都存在巨大黑洞。在宇宙中存在着在一种在相当于星系大小一万分之一以下区域，却释放出100个星系具有的能量的天体，这就是“类星体”。这是一种距离我们极其遥远的天体，距离近者离地球也有20亿光年之遥。从1962年第一个类星体被发现以来，这种天体的真实面目仍是待揭之谜。围绕类星体巨大能量的来源，科学家提出了形形色色的理论和假说，而最终具有生命力的是巨大黑洞之说。 斗转星移，1997年，哈勃太空望远镜首次观测证实，类星体处于星系的中心部位，是星系的核心。在那里极有可能存在巨大黑洞。但是此说难圆，迄今发现的类星体大约只有星系数目的百分之一，仅仅以此为依据还不能认为任何星系都存在巨大黑洞。 科学家认为，巨大黑洞的质量必须达到太阳质量的1000万倍到10亿倍的程度。 巨大黑洞如何形成尚无定论 科学家认为，质量相当于太阳的黑洞是超新星爆发的结果，但是对于巨大黑洞的起源，目前还没有定论。巨大黑洞不能由小黑洞聚合而成，就没有突然形成中间质量黑洞的途径了吗？要存在这种可能关键之处在于是否能把具有太阳质量100万倍的天体凝缩至0.01光年以下的空间。作为一种可能性，美国哈佛大学的科学家提出了一种新的设想：在宇宙诞生之初由大质量的天体产生了中间质量的黑洞。科学家们把这个过程用计算机进行了模拟，结果显示，在宇宙诞生30万年时，大质量天体中发生了电离，大小凝缩至0.01光年以下。此时，宇宙中澄澈无比，光能够通行无阻。由此产生的黑洞质量约为太阳的10万倍到100万倍，基本上是在与星系无关的空间形成的。 黑洞与星系遭遇，在力学的摩擦效应作用下，黑洞便落入星系的中心。如果落入星系中心的黑洞一年间会附着一个太阳质量的物质的话，1亿年后就会拥有1亿倍以上太阳质量，从而成为巨大黑洞。以类星体的能量来说，如此规模的质量附着是必不可少的。但是这种模型也不能完全自圆其说。考虑到一般的宇宙模型，以这种机理形成的黑洞的数目比星系的数目要少得多。因此，在理论上，形成巨大黑洞的确切过程应当说仍未明了，所以具有中间质量、围绕星系中心旋转的M82星系黑洞，是非常耐人寻味的。关键问题在于求出M82星系黑洞的准确质量，并搞清其形成的过程。这些问题的解决对于揭开巨大黑洞之谜，具有决定性的意义。 巨大黑洞的起源之谜直到今天仍包裹在重重迷雾之中。黑洞是如何越变越大的，巨大黑洞与星系的诞生和演化又具有怎样的关系，需要解释的疑问还很多。(科技日报)
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