9778818威尼斯官网:时间和空间屈曲的绝密漩涡,

据美国国家航空航天局官网消息,一个国际科研团队近日借助欧洲空间局的多镜片X射线观测卫星和NASA的核光谱望远镜阵列,首次在黑洞周围观察到了兰斯—蒂林(Lense-Thirringeffect)效应。最新研究不仅让一个困扰天文学家们30年之久的谜团真相大白,更能在新环境下进一步验证广义相对论。

7月14日, 据美国国家航空航天局消息,一个国际科研团队近日借助欧洲空间局的多镜片X射线观测卫星和NASA的核光谱望远镜阵列,首次在黑洞周围观察到了兰斯—蒂林(Lense-Thirring effect)效应。最新研究不仅让一个困扰天文学家们30年之久的谜团真相大白,更能在新环境下进一步验证广义相对论。

美国国家航空航天局在其华盛顿总部电视演播室举行了近40分钟的新闻发布会,宣布该局发射的“钱德拉”X射线太空望远镜发现了一个黑洞。这个质量大约是太阳的5倍,由一颗质量大约20倍于太阳的恒星发生超新星爆炸形成的黑洞,其特别之处在于:它是人类历史上发现的最年轻的黑洞,仅仅31岁。

采访 | 喻菲 全晓书 屈婷

借助哈勃空间望远镜敏锐的视力,天文学家重复了近一个世纪以前,人们对爱因斯坦广义相对论所作的一场检验。通过观测一颗白矮星,即一颗普通恒星燃尽之后的残骸,对另一颗更遥远恒星的星光产生的偏折作用,哈勃团队测量出了这颗白矮星的质量。这也是哈勃空间望远镜首次观测到由一颗恒星产生的光线偏折效应。

物体落入黑洞一刻,其温度会不断升高,可能高达数百万度,此时会发出X射线。上世纪80年代,天文学家们借用X射线望远镜发现,恒星质量黑洞发出的X射线不断闪烁,且遵照特定的模式。当闪烁开始时,变暗和重新变亮可能需要10秒,但随着时间的流逝,这一周期不断缩短,直到发生每秒10次的震荡,之后闪烁情况突然全部停止,这一现象被称为“准周期震荡”。

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这令科学家兴奋不已——因为这是人类历史上首次看到了黑洞的诞生,观测到了该黑洞从它诞生至今的整个成长过程,这个发现有望为科学家研究黑洞如何从“婴儿”状态开始演化提供独一无二的机会。

审稿 | 张双南

1915年,爱因斯坦首次提出广义相对论,描述了大质量物体如何扭曲空间产生了我们所感受到的引力。4年后,这一理论得到了首次观测实验的验证——当时一支由英国天文学家亚瑟·爱丁顿爵士率领的团队在日全食期间,测量了出现在日面边缘的恒星的星光受到太阳引力作用而发生偏折的幅度,这种效应称为微引力透镜。

因为该现象来自距离黑洞非常近的地方,所以引发了包括荷兰阿姆斯特丹大学的亚当·英格拉姆等人的关注。英格拉姆自2009年开始研究QPO。在上世纪90年代,天文学家们提出了一种怀疑:QPO与广义相对论预测的兰斯—蒂林效应有关,但一直未获得证实。

围绕这一消息,人们不免会提出一系列的问题:什么是黑洞?他们有什么奇异之处?他们是怎么诞生的?我们是怎么“看到”他们的?这次观测为何这么重要?还有:为何天文学家对黑洞这么感兴趣?本文将试图对这些问题一一作出解答。

公元185年,天空中突然闪耀出一颗星星,彗星般明亮,却一动不动,在夜空中挂了8个月的时间。

利用这一效应,天文学家可以看见遥远的星系被引力透镜放大的图像,也可以在更近的距离范围内测量恒星在天空中视位置的细微移动。然而,科学家不得不等上一个世纪之久,才能够建造出足够强大的望远镜,用来检测太阳系外的单颗恒星所导致的引力扭曲现象。这种现象导致的星光偏折幅度之小,只有视力敏锐的哈勃空间望远镜才能够测量出来。

NASA于2004发射的引力探测B卫星,对兰斯—蒂林效应进行了精确验证和测量。科学家们认为,在引力场更强大的黑洞周围,这一效应可能更加显著。在最新研究中,英格拉姆和来自英国剑桥大学、南安普顿大学、日本东京大学的同事,对黑洞周围吸积盘内的物体进行了研究,他们借助XMM—牛顿对QPO观察了26万秒,用NuSTAR对QPO观察了7万秒。结果证实QPO是由黑洞周围的兰斯—蒂林效应引起。

什么是黑洞

公元1006年,几乎整个北半球的人都发现夜空中多出了一颗星星。天文学家推测,在那一年的春天,人们甚至可以借助这颗星星的光芒在半夜读书。

9778818威尼斯官网 2白矮星的引力弯曲了另一颗恒星的星光,导致哈勃望远镜观测到这颗恒星的位置发生了偏移,再现了近一个世纪前天文学家在日全食期间对爱因斯坦的广义相对论所作的第一次观测检验。图片来源:NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

这是科学家们首次在强引力波场内测量到这一引力漩涡效应,未来或许也能借助这一方法,对广义相对论进行测验,如果发现与其相背离的现象,那可能预示着存在一个更深层的引力理论。

黑洞,就像是宇宙中的一个“怪物”,包括光子在内的任何物体都无法逃脱它的引力“魔掌”。

这是一千多年前就被记录下来的两次超新星爆发,《后汉书》和《宋史》中分别写着“大如半筵,五色喜怒”,“煌煌然可以鉴物”。

确切来说,哈勃观测了白矮星Stein 2051 B从另一颗背景恒星前方经过的过程。在这两颗恒星几乎要对齐的时候,白矮星的引力弯曲了它身后更远处那颗恒星的星光,使得后者看起来要比实际位置偏移了大约2毫角秒。这一偏移幅度非常之小,相当于在观测2400千米以外一只蚂蚁爬过一枚一元硬币的表面。

黑洞,单单从这个名字看,就让人感觉神秘。事实上也的确如此,即使在天文学家的眼中,黑洞也是宇宙中最不寻常的天体。要介绍黑洞,先要从“逃逸速度”说起。

再稍晚些,1054年,那次出现在金牛座天区,被称作“天关客星”的超新星大爆炸,还留下了绚烂多彩的蟹状星云……

根据对恒星偏移幅度的测量,天文学家计算出了这颗白矮星的质量,大约为太阳质量的68%。这一结果与理论预言相符。

从星体表面发射火箭到太空,要想逃脱该星体引力的束缚,就要求火箭的速度必须大于一个临界速度。只要比这个速度快,物体就能不再掉落到星体上,或绕着它旋转,而可以去更远的外太空自由翱翔,故而这个速度称为“逃逸速度”。地球的逃逸速度大约是每秒11公里,太阳表面的引力比地球强很多,因此太阳的逃逸速度大约是每秒600公里。那么,如果有这么一种物体,它的表面引力非常强,以至于逃逸速度等于光速——宇宙中最快的速度,此时任何物体,甚至是光子本身,都无法逃脱该物体的“引力魔掌”——这个物体就是黑洞。

9778818威尼斯官网 31054年,宋朝的天文学家也详细记载了一次超新星爆发。蟹状星云就是这次大爆炸的产物。图源:Wikipedia

9778818威尼斯官网 4从2013年10月1日到2015年10月14日,哈勃望远镜对白矮星Stein 2051 B进行了多次观测,记录了它从一颗更遥远的背景恒星前方经过的全过程。对观测数据进行分析后,天文学家再现了近百年前对广义相对论的首次检验,并测量出了这颗白矮星的质量。图片来源:NASA, ESA, and K. Sahu (STScI)

“黑洞”这个名词,是美国物理学家惠勒于1967年发明的。而“黑洞”的想法,早在18世纪就由博学家米切尔以及著名数学家和天文学家拉普拉斯提出来了。但是这些想法严格地说并不严谨,因为它们都是基于牛顿力学,而我们现在知道,当引力非常强时,牛顿力学不再适用了,应当用爱因斯坦的广义相对论取代。所以,直到上世纪初,当爱因斯坦发现了广义相对论之后,黑洞的存在才得到了严格证明。

宇宙中几乎每天都发生着这样的“大事件”。然而,在望远镜出现之前,得到证实的超新星记录,只有7次。即便是算上那些还没有被证实的疑似记录,2000年间,也不过20次。

这一技术开启了一种测量恒星质量的全新方法。通常来说,如果一颗恒星拥有伴星,天文学家就能测量这两颗恒星相互绕转的轨道运动,从而测定那颗恒星的质量。尽管Stein 2051 B拥有一颗伴星,是一颗明亮的红矮星,但天文学家仍然无法精确测量它的质量,因为这两颗恒星间隔太远了。两颗恒星间隔了至少80亿千米,几乎是冥王星到太阳当前距离的两倍。

广义相对论预言的黑洞由两个基本结构组成:黑洞中心是一个“奇点”,所有的物质都集中在这个点上,密度因而是无限大。当然,现代科学认为,广义相对论本身还不是终极理论,还需要发展,具体来说是要与量子力学结合。这样的话,奇点将不再是个没有体积的点了。奇点之外,黑洞存在一个“表面”,叫“视界”,这也是黑洞的“半径”。视界可以看作是黑洞的“势力范围”。一旦进入视界,所有的物体,包括光,都无法逃脱。不同质量的黑洞,其视界的大小是不一样的。若黑洞的质量相当于地球质量,则视界只有2.5厘米。也就是说,地球要变成一个黑洞的话,必须缩小为乒乓球大小才可以。若太阳变成一个黑洞,则就要从目前的70万公里半径的巨大火球变成半径只有3公里的球体。

望远镜的出现,让人类的目力所及,从银河系拓展到了更远的其他星系。天文学家对望远镜的追求,也再没停止过——要更强、更大、更清晰,还要架进太空,绕开大气层的阻碍。于是,有了FAST,有了哈勃,有了刚刚睁开的“慧眼”—— 中国首枚X射线太空望远镜,硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope,HXMT)。

“对于测量恒星质量来说,微引力透镜法是一种非常独立和直接的方法。”美国空间望远镜研究所负责此项研究的凯拉什‧萨胡(Kailash Sahu)解释说,“就好像把这颗恒星放在了一杆称上:恒星偏移的幅度就代表了称杆上的读数。”

宇宙天体的兴衰

科学家们希望它是观察宇宙的一只“慧眼”,也纪念高能物理领域内的杰出女科学家何泽慧先生。

6月7日,萨胡在得克萨斯州奥斯汀市召开的美国天文学会年会上公布了他们团队的这些发现。

大质量恒星的超新星爆发与伽马射线暴造就了黑洞

9778818威尼斯官网 5刚刚升空的“慧眼”,将为我们展现出那个潜伏在静谧星空中,炽热暴躁的高能宇宙。供图:“慧眼”项目组

9778818威尼斯官网 6白矮星从更遥远的背景恒星前方经过时,由于光线被白矮星引力掰弯,背景恒星的位置就会发生偏移。图片来源:NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

宇宙中的天体也与地球上的生物一样,会经历诞生、成长、衰老和死亡。广义相对论预言,黑洞就是大质量恒星死亡以后的“残骸”。具体来说,黑洞是质量大于20倍太阳质量的恒星死亡以后形成的。

 

哈勃的分析还帮助天文学家独立验证了通过白矮星质量来确定它半径的理论,这个想法最早是由印度裔美国天文学家苏布拉马尼安·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)在1935年提出的。团队成员、美国宾夕法尼亚州立大学的霍华德‧邦德(Howard Bond)说,“我们的测量与白矮星理论符合得很好,甚至向我们透露了白矮星的内部构成。”

万有引力无处不在,一个恒星各个部分之间当然也是存在万有引力的。但是,恒星之所以能够维持一个较大的球形而没有被万有引力吸引得“塌缩”下去,是由于存在其他的力与引力抗衡,这个力就是恒星内部热核反应加热气体产生的膨胀压力。热核反应的基本过程是将较轻的氢元素合并成较重的氦元素,在这一过程中会释放出大量的热量。等到核燃料逐渐耗尽的时候,恒星也就开始衰老,濒临死亡了。这时,气体就会很快冷却下来,与引力相抗衡的气体压力因而就会大大减小。于是,恒星在强大的万有引力作用下会迅速向中心塌缩,体积迅速缩小。塌缩过程中会形成反弹激波,恒星外层的气体会在反弹激波的作用下爆炸,将一部分气体炸到宇宙空间中。

看不见的宇宙

超新星爆发之后的残骸可能是中子星,也可能是黑洞。银河系里就有为数众多的中子星和黑洞。它们有的根本不会发出可见光,有的被厚厚的尘埃所遮挡。普通的可见光望远镜都看不到它们的影子,需要在X射线波段观察才能发现。

X射线和可见光一样,本质上都是电磁波,都具有波粒二象性,只是波长与能量不同,所以在传播的过程当中显现出来的性质也有所不同。X射线因为波长极短,能量又很高,在传播的时候更接近粒子。当我们把一台普通的光学望远镜对准X射线天体的时候,X射线不会像可见光那样在镜面上发生反射或折射,而会像一粒粒“炮弹”直挺挺打进水塘里一样,就被吸收了。因此,使用普通的光学望远镜,也就无法获得天体的X射线图像。

能量越高,“炮弹”的速度就越快,X射线也就越“硬”。按照科学家的传统划分,能量在20千电子伏(keV)以上的X射线,就被称为硬X射线;能量在10 keV以下的,就被称为软X射线。

9778818威尼斯官网 7不同波段的X射线、红外线,以及可见光混合在一起的开普勒超新星残骸照片。图源:Wikipedia

萨胡的团队对一张邻近恒星星表进行了梳理,其中记录的5000多颗恒星,看起来都在天空中快速移动。正是从这些数据中,研究团队圈定了Stein 2051 B和它的背景恒星。看上去在天空中快速移动的这些恒星,从另一颗遥远的背景恒星前面经过的可能性更大,只有这样天文学家才有机会去测量星光的偏折。

下一步的命运取决于原初恒星的质量。若原先的恒星质量较小,小于10倍太阳质量,则恒星缩小到一定程度后,一种叫做“电子简并压”的力能够与引力抗衡,星体于是停止塌缩。这时形成的星体叫“白矮星”。这种星体表面仍然存在少量可燃烧物质,但是温度非常高,所以颜色很“白”。再加上这种形体体积很小,即“很矮”,所以叫做白矮星。

 

在圈定了Stein 2051 B这颗白矮星,并测绘了它周围背景恒星的位置之后,这些研究者利用哈勃望远镜上的第三代广域相机,在长达2年的时间段内,对这颗白矮星进行了7次不同的观测,记录了它从选定的背景恒星前方经过的全过程。

若爆发前身恒星的质量比较大,大于10倍太阳质量但小于20倍太阳质量,引力就会更强一些,这时电子简并压力也无法与引力抗衡,恒星会进一步塌缩。这时另一种力——“中子简并压力”出现并发挥作用,能够与引力达到平衡。星体于是停止塌缩。这时形成的星体叫做“中子星”。中子星中大部分物质都是由中子构成的,中子和中子之间空隙很小,故中子星密度非常大:它的半径只有10公里,但是质量却达到太阳质量的两倍!

美国有镜面

为了能看到天体的X射线图像,科学家们想到的第一个方法是让望远镜的镜片尽可能的光滑,然后让X射线像打水漂一样发生反射。1999年美国国家航空航天局(NASA)发射的钱德拉X射线天文望远镜(Chandra X-ray Observatory)能实现能量在10keV以下的软X射线聚焦成像。钱德拉的镜面有多平滑呢?如果把这个镜面放大到地球一样大小,按照镜面的粗糙程度来计算,这个“地球”上最高的山峰只有不到2米高。

不过,这么平滑的镜面也无法让硬X射线聚焦成像。硬X射线的能量实在太高了。用大炮打水漂。

直到2012年,美国发射的NuSTAR卫星(Nuclear Spectroscopic Telescope Array)才以世所罕见的制造工艺实现了硬X射线聚焦成像,将能够成像的能量范围推高到了79 keV。NuSTAR的镜面由高密度材料和低密度材料反复重叠200层左右镀成,每层的厚度和表面粗糙度都达到了原子量级。

 

哈勃的这项观测难度极大,耗时也长。研究团队不得不分析白矮星的速度和运动方向,预言它会在什么时候抵达偏折星光的位置,以便天文学家能够使用哈勃望远镜来观测这一现象。

若爆发恒星的质量高于20倍太阳质量,引力会非常强,即使是中子简并压力也无法与之平衡,于是恒星只能无限制的塌缩下去,变成一个黑洞!这次发现的黑洞,其前身星正是一个大约20倍太阳质量的恒星!

中国有算法

NuSTAR镜面的制造难度,对一个国家的工业水平有极高的要求,国内至今还无法制造出如此光滑的镜面。于是,中国的科学家就另辟蹊径,提出了直接调制成像法,用算法,弥补了制造工艺的不足。

所谓调制,就是扫描。上世纪90年代初,中科院高能物理研究所李惕碚院士和他的同事吴枚研究员在不断探索中找到了一种新的算法,即使无法实现聚焦,仍然可以非常有效地把调制后的信号还原成图像,这种方法就被称作直接解调技术。李惕碚院士把这种图像处理技术与扫描探测技术结合在一起,很快便提出了硬X射线调制望远镜的概念——通过对X射线源的成像观测,以简单成熟的方法,得到天图,弥补制造技术上的缺陷。这就是今天“慧眼”的核心基础。

 

9778818威尼斯官网 8哈勃望远镜拍摄的这张照片,展示了2013年10月1日的Stein 2051双星系统。画面中心偏上较暗的蓝色恒星,就是白矮星Stein 2051 B,右下方较明亮的红色恒星是它的伴星。由于这对双星离地球很近,大约只有17光年,因此相对于更遥远的几颗背景恒星,它们在天空中会有更明显的位移。蓝色波浪线标明了白矮星在天空中的移动轨迹,可以看到它会从标明了“源恒星”的那颗背景恒星旁边前方,它的引力足以弯曲那颗恒星的星光。图片来源:NASA, ESA, and K. Sahu (STScI)

详细研究表明,对于质量大于20倍太阳质量的恒星,其演化的最终结局虽然都是黑洞,但却有两种截然不同的具体表现:一是超新星爆发,二是伽马射线暴。恒星具体命运如何,取决于恒星的初始物理状态,比如旋转的快慢。旋转慢的大质量恒星死亡后会发生超新星爆发,而旋转快的则会形成一个强大的“喷流”,形成伽马射线暴。超新星爆发与伽马射线暴两种爆发的总能量相差无几,区别在于前者较“温和”,即这些能量是在较长的时间里爆发,而后者非常剧烈,在极短时间里——从不到1秒到几百秒——就发出巨大的能量。伽马射线暴是宇宙自诞生以来我们目前所知道的最剧烈的爆发现象,是上世纪60年代才偶然发现的比较新的天文现象,关于它的起因仍是一个谜,因此是目前天体物理研究的一个热点。而这次观测到的年轻黑洞,形成于31年前观测到的一次超新星爆发。

9778818威尼斯官网:时间和空间屈曲的绝密漩涡,黑洞相近确有。“慧眼”有神通

“慧眼”虽然沿用了“硬X射线调制望远镜”的名字,但它的本领早已超出了对硬X射线的观测与成像。

“直接调制技术在当时是非常好的一种办法。然而,从1993年提出想法到2011年真正立项,十八年过去了,科学前沿的发展以及X射线探测技术都有了较大的变化,所以,我们也对这颗卫星的研究目标和手段进行了调整。”HXMT首席科学家张双南解释说。

研制团队给“慧眼”加上了低能和中能X射线探测器,把望远镜能够覆盖的观测能区范围扩大到1keV-250keV。

9778818威尼斯官网 9中科院高能物理所用于检测、调试“慧眼”电气性能的1:1测试模型。它搭载着与“慧眼”一模一样的观测仪器。照片中的“平台”上面,左边的方盒子是“慧眼”搭载的低能(软)X射线探测器;右边的方盒子是中能X射线探测器;平台中央则呈蜂窝状分布着18个高能(硬)X射线探测器。摄影:婉珺

“慧眼”因为没有镜面,不受制造工艺的限制,所以探测面积很大,能观测到更多的信号,也就有可能看到其他望远镜看不到的现象。用项目组青年科学家熊少林的话说:“对于同样能被观测到的源,你探测到的光子数少,而我探测到的光子数多,我就会比你发现更多的特性。”

“慧眼”的探测视场也比镜面望远镜大,可以在两天左右时间内完成银道面的扫描。“天空中有很多暂现源,毫无征兆地就爆发了,又会毫无征兆地消失。扫描观测可以进行有效监测,比较容易发现这些暂现源。”熊少林说,“对于一个已知源,当然也有可能取得新发现。但对于一个新的源,新发现的概率更大,甚至是全新的闻所未闻的现象。”

“慧眼”也不怕盯着强光。“聚焦型望远镜不适合观测强源,因为它会把所有X射线的光子都聚到一点上,曝光量过大,所以一看太亮的源,就白茫茫一片。我们是准直型望远镜,可以把光子分散开,堆积率很低,所以看多亮的源,都不会晃瞎眼。”“慧眼”的软X射线探测器主任设计师陈勇说。

“慧眼”还有比其他探测器短得多的“死时间”,也就是快速连续处理光子信号的能力。“我们专门为此进行了特殊设计,来缩短‘死时间’。虽然我们的高能探测器是世界上面积最大的,但是它的‘死时间’比别的探测器要短得多,我们丢失的光子也会比别的探测器少得多,探测到的信号也更多更准确。这对于帮助我们最终搞清楚X射线天体的辐射机制是非常有帮助的。”“慧眼”的硬X射线探测器主任设计师刘聪展说。

9778818威尼斯官网 10这18个“黑盘子”就是“慧眼”的硬X射线探测器,覆盖了20keV-250keV的观测能区范围,将主要用于探测黑洞和中子星。图片来源:果壳视频

不仅如此,卫星首席科学家张双南还创造性的“变废为宝”,对卫星上原本用于屏蔽干扰粒子的探测器稍加调整,把“慧眼”变成了目前世界上面积最大,灵敏度也最好的伽玛暴探测器。而且,因为是“变废为宝”,“慧眼”在观测伽玛暴的时候都不需要正对着目标源。

天文学家还必须测量星光偏移的确切幅度。“Stein 2051 B要比那颗遥远的背景恒星亮400倍,”团队成员、空间望远镜研究所的杰伊‧安德森(Jay Anderson)说,“因此,测量这么小的偏移幅度,就类似于想要看清在一个大灯泡旁边飞舞的一只萤火虫。萤火虫的移动非常细微,而大灯泡的光芒却让我们难以看清它的移动。”事实上,与1919年爱丁顿所作的那次观测相比,背景恒星的偏移幅度大约是当时的1/1000。

首次看到黑洞诞生

 

Stein 2051 B得名于它的发现者——荷兰天主教牧师兼天文学家约翰‧斯特恩(Johan Stein)。它距离地球17光年,年龄估计为27亿年。那颗背景恒星距离地球大约5000光年。

这次美国宇航局宣布的发现意义之所以重大,原因就在于我们人类历史上首次看到了黑洞的诞生以及“婴儿期”演化的整个过程。

“慧眼”中波澜壮阔的宇宙

“以前中国没有自己的太空望远镜,分析研究都得用国外的卫星数据。”

“用人家的二手数据,就像是捡漏。要想从中有发现,就要花费很多时间精力,寻找与别人不同的角度。”

“好的科学成果人家都做完了,我们只能去他们的历史数据库中发掘。”

……

研究只能依靠别人的数据和仪器,让每一位相关的中国天文学家都很难受。 20多年间,所有的创造力,为的,就只是让我们拥有自己的“慧眼”,去看见那个潜伏在星空中极端炽热的高能宇宙,看见繁星不断上演的生死故事,还有那些宇宙中稍纵即逝的惊鸿一瞬。

9778818威尼斯官网 11“慧眼”项目首席科学家张双南给果壳网主笔Steed讲解“慧眼”搭载的主要探测仪器。图片来源:果壳视频

 “我们将用‘慧眼’对银河系进行非常详细的大天区扫描巡天,预期会发现一些新的黑洞活动,使我们可以研究的黑洞和中子星对象大大增加,也会带动地面上光学、射电望远镜对这些天体的观测。”HXMT首席科学家张双南说:“科学家对黑洞、中子星、伽马暴的很多基本情况还不清楚,我们只是确定了一些天体是黑洞、中子星。黑洞是广义相对论预言的天体,发现黑洞证明广义相对论是成立的。但要想进一步研究广义相对论的细节,研究它是不是在所有情况下都成立,就得在各种条件下进行检验。黑洞附近的引力是宇宙中最强的。在黑洞附近能够更好地检验广义相对论。所以我们要在黑洞附件进行观测,看观测结果与广义相对论的计算是否相符。这是我们想做的研究。”

包含有黑洞或中子星等致密天体的X射线双星里,致密星是如何吸积伴星物质的?X射线耀发时究竟发生了什么?狂暴的黑洞脾气到底怎么样?为什么会发脾气?中子星的内部到底什么样?中子星周围的真空真的都变成晶体了吗?脉冲星的脉冲是怎么来的?脉冲星周围的磁场又是怎么来的?伽玛暴的能量是怎么释放出来的?伽玛暴跟引力波事件有关系吗?遥远星系中心的巨大黑洞又是如何形成的?

……

有太多秘密还隐藏在那片未知的宇宙当中。“慧眼“就像一座太空中的天文台,让科学家能够望向那片未知,能探索未知的奥秘。这当然只是中国天文学家迈向太空的一小步,但也许,也是最重要的一步。因为这一步,他们迈进了那片“属于自己的”未知的宇宙

“我希望我现在预言的重要成果都说错了,”张双南说,“那就说明,‘慧眼’看到了更重要的秘密。”(编辑:吴欧)

 

致谢 | 本文由新华社中国特稿社提供采访素材

这些科学家还计划用哈勃望远镜,对离我们太阳系最近的半人马座比邻星,展开类似的微引力透镜研究。

此前,曾有媒体宣称NASA此次宣布的发现“足以震惊全人类”,引发网友广泛关注,钱德拉望远镜的官方网站甚至因为访问人数过多而无法访问。虽然这则消息不是有些人想象中的“外星人”、“飞碟”、“世界末日”之类,但从科学研究的意义上,这的确是个意义重大、激动人心的消息。

详细描述这些结果的研究论文,将发表在6月9日出版的《科学》杂志上。(编辑:Steed)

可以想象,上面描述的恒星从衰老到爆炸死亡、形成黑洞的整个过程是极端复杂的,涉及到的物理知识几乎涵盖了经典以及现代物理和天文学的所有主要的分支和领域,包括核物理、统计物理、广义相对论、量子力学、流体力学、辐射物理以及恒星结构与演化等等。毫不夸张地说,黑洞的形成理论是物理和天文学家们几个世纪来智慧的结晶、集大成之作。

显然,从观测上验证上述黑洞形成的复杂理论,最理想的情况就是看到恒星从爆发到形成黑洞的整个过程。然而,迄今为止,尽管天文学家们已经在银河星内发现了20多个黑洞,却无法判断这些黑洞的年龄——只是可以确定,它们都不是刚刚诞生的。

这次美国宇航局宣布的发现意义之所以重大,原因就在于我们人类历史上首次看到了黑洞诞生以及早期演化的整个过程,而且由于这个黑洞距离我们非常近,只有5000万光年,更为资料积累提供了便利。从1979年恒星开始爆发,一直到今天的31年时间里,我们都有对这个黑洞的详尽的观测资料。这对于验证我们的恒星演化和黑洞形成理论,并进而推断星系、宇宙中黑洞的分布以及有关的天体物理研究无疑将有重要帮助。

同时,天文学家之所以对黑洞那么有兴趣,还有很多原因。目前,国际上的天体物理研究热点,有“一黑、两暗、三起源”的说法,“一黑”指的就是黑洞(两暗是指暗物质、暗能量,三起源是指宇宙起源、天体起源、生命起源)。黑洞研究之所以重要,首先因为黑洞周围引力极强,由此引起的吸积盘中的气体的其他物理性质也都非常极端,如超高温、高压、超强磁场等等,这些极端的条件是地球上的实验室无法达到的,而这些恰恰对于我们验证物理学的基础性理论如广义相对论等可以说起着举足轻重的作用。其次,宇宙中大部分有趣的剧烈爆发、高能量现象都是跟黑洞联系在一起的,比如伽马射线爆发、活动星系核(指的是星系中心的质量超过太阳质量百万倍以上的超大质量黑洞)等,故研究黑洞能直接帮助我们揭开这些现象的神秘面纱。第三,最近的研究发现,黑洞与其他的一些人们感兴趣的问题紧密相关,比如星系是如何形成和演化的。只有研究清楚了黑洞本身,才可能最终解决这些难题。

相关链接 钱德拉太空望远镜

钱德拉太空望远镜原称高级X射线天体物理学设施,是美国航宇局NASA“大天文台”系列空间天文观测卫星中的第三颗。该系列共由4颗卫星组成,另三颗是康普顿伽马射线观测台、哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜。

钱德拉望远镜专为观察来自宇宙最热的区域的X射线而设计,以帮助天文学家搜寻宇宙中的黑洞和暗物质,从而更深入地了解宇宙的起源和演化过程。它是迄今为止人类建造的最先进、最复杂的太空望远镜,被誉为“X射线领域内的哈勃”。

1999年7月23日,钱德拉望远镜由美国哥伦比亚号航天飞机送入太空。它距地球最远时的距离约为地球到月球的距离的三分之一。选用这种大椭圆轨道是为了有尽可能多的时间让望远镜保持在地球的辐射带之外,并避开在离地球很近处运行带来的一些观测上的限制。

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