黑洞的存在是怎样推测出来的?

Question

黑洞的存在是怎样推测出来的?

Answer 1

斯皮策太空望远镜捕捉到的宇宙中隐藏黑洞的图片,其中黄色亮点表示一个内含“类星体”黑洞的遥远星系,它的外围被一层宇宙气体尘埃紧密环绕.
近日国际天文学家通过美国宇航局斯皮策太空望远镜的一项最新观测结果,在宇宙中某一狭窄区域范围内,首次同时发现了多达21处却一直深度隐藏着的宇宙“类星体”黑洞群.
这一重大发现第一次从正面证实了多年来天文学领域有关宇宙中有数目众多的隐身黑洞广泛存在的推测.充分的证据使人们相信,在浩瀚的宇宙中,的确充满着各种各样未被发现的巨大引力源泉--"类星体"黑洞群体.有关该项最新发现的详细内容,研究人员已撰文正式刊登在了2005年8月4日出版的《自然》杂志中.
“深藏不露”的类星体
我们知道在现实中的宇宙黑洞,由于其巨大的引力作用,连光线都被紧密吸引束缚,因而无法被人们直接观测发现.为确定黑洞天体存在的证据,天文学家通过研究发现,在黑洞周围的物质行为具有其特定行为：在黑洞周围的宇宙空间中,气体物质具有超高的温度,并且在被黑洞强大引力场吸引剧烈加速后,这些物质在彻底消失之前均会被提升到接近光速.而当气体物质被黑洞彻底吞噬后,整个过程都会释放出大量的X-射线.通常正是这些逃逸出来的X-射线,显示出此处有黑洞确实存在的迹象.这便是以往人们发现黑洞的最直接证据.
而另一方面,在一些格外活跃的超大型宇宙黑洞周围,由于其对周边物质剧烈的吸引和吞噬行为,还会在黑洞星体外围产生一层厚重的宇宙气体和尘埃云层,这便进一步增大了对黑洞体附近区域的观测难度,阻碍了天文学家对这些超大黑洞存在的发现工作.天文学上将这些极度活跃的黑洞定义为"类星体".普通情况下,一个类星体平均一年总共吞噬的物质质量,相当于1000个中等恒星质量的总和.一般情况下,这些类星体距离太阳系都非常遥远,当我们观测到他们时已经是亿万年以后的现在,这说明此类黑洞的活动出现在宇宙诞生初期.科学家推定,这种黑洞正是在成长壮大中的宇宙星系前身,所以将其命名为"类星体".
到目前为止,只有为数不多的几个"类星体"黑洞被发现,在浩瀚的宇宙深处,是否还有数量众多的其它类星体存在,仍有待人们进一步去发现,而天文学家在该领域的研究工作则完全依靠对宇宙内部X-射线的全面观测研究来予以证实.
“充满”了黑洞的宇宙
近日,来自英国牛津大学的阿里耶-马丁内兹-圣辛格教授在介绍其首次对宇宙间隐藏黑洞的发现时说,"从以往对宇宙X-射线的观察研究中,本希望能找到宇宙中大量隐藏类星体存在的证据,但结果确都不尽如人意,令人失望."而近日根据美国宇航局NASA的斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)的最新观察结果,天文学家则成功穿透了遮蔽类星体黑洞的外围宇宙尘埃云层,捕捉到了其中一直暗藏不露的内部黑洞体.由于斯皮策太空望远镜能够有效收集能穿透宇宙尘埃层的红外光线,使得研究人员顺利地在一个非常狭窄的宇宙空间区域内,同时发现了数量多达21个早已存在却又"隐藏不露"的类星体黑洞群.
来自美国加州理工大学斯皮策科学中心的研究小组成员马克-雷斯在接受媒体访问时同时也表示,“如果我们抛开此次发现的21个宇宙类星体黑洞,放眼宇宙中的其它任何区域,我们完全可以大胆预测,必将有数量众多隐藏着的黑洞将会被陆续发现.这意味着,一如我们原先推测的那样,在不为人知的宇宙深处,一定有数量众多、质量超大的黑洞巨无霸,正借助着星际尘埃的隐蔽,在暗地里不断发展壮大着.”
黑洞模拟图片
上海科学家率国际小组拍摄到高分辨率“射电照片”
在我们生活的银河系中心位置,藏匿着一个人肉眼无法看见的“超级黑洞”：它的直径与地球相当,质量却至少是太阳的40万倍.它“吞噬”周围的所有物质,连光也无法逃逸出去.利用国际最先进的地面望远镜阵列,上海科学家领导的一个国际小组成功拍摄到了迄今为止最接近该黑洞的“射电照片”.
今天出版的英国《自然》杂志刊登了这一重大成果,并专门配发了评论.主持此项工作的中科院上海天文台沈志强研究员说,这是现有观测条件下,确认银河系中心存在该“超级黑洞”的最令人信服的证据.这个黑洞位于人马座方向,距地球约26000光年.
据悉,早在上世纪30年代,天文学家就从理论上预言了黑洞存在,但由于它本身不发光,因此,如何从观测上证实黑洞成为现代天体物理学最具挑战性的课题之一.近几年来,包括“哈勃”等空间和地面大型望远镜已经遴选出许多“候选黑洞”,其中离我们最近的银河系人马座目标是各国天文学家竞相研究的热点.
从1997年开始,利用位于北半球10个射电望远镜组成的阵列,沈志强领导的国际小组展开大量观测,并用新方法不断提高观测精度.在5年中,无线电波的“视线”一步步接近该黑洞,最终获得了世界上第一张3.5毫米波长的高分辨率图像.
“这是人类第一次看到距离黑洞中心如此近的区域,确实令人兴奋”,沈志强说.通过观测,科学家们发现,这个“超级黑洞”不仅质量极大、体积极小,且密度也十分惊人,比现有的“候选黑洞”密度要大10000亿倍以上.
根据黑洞理论,黑洞是由大质量的恒星坍缩形成的.此时原来构成恒星的物质集中于一“点”,其密度趋向无限大,以至于光都无法逃脱它的引力.因此从外界看,这种天体是全黑的.由于黑洞的这一特点,使得天文学家寻找黑洞的工作十分困难.天文学家只能根据黑洞能够剧烈地“吞噬”它附近的天体这一性质,确定其存在.
通常黑洞有三种类型,一种是位于星系中央的“超级黑洞”,另一种是恒星级的黑洞,其质量大概有数十个太阳左右.还有是介于两者中间的“中等质量黑洞”.