正文

人类获得首张黑洞照片

  2、黑洞舞者-LIGO引力波探测的双黑洞

  6-80个太阳质量

  2016年2月11日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布人类首次发现引力波,证实了爱因斯坦百年前的预言。到目前为止,已经探测到了10次双黑洞合并产生的引力波信号,并且发现了一例双中子星合并事件。2019年4月1日,LIGO升级后恢复开机,启动第三轮引力波探测,此次升级后,LIGO的灵敏度比以前提高了40%,同时欧洲Virgo也将同时启动探测,LIGO科研团队预计将能探测到更多的黑洞合并事件,有可能从以前的每月一次事例增加到每月数十次,从而使引力波事件称为常态,特别是有可能探测到以前没有看到的黑洞和中子星合并所发出的引力波。在前两轮探测中,双黑洞质量范围大概为6-40个太阳质量,合并后形成的黑洞质量在10-80个太阳质量,这大大突破了以前通过X射线双星确定的黑洞质量。关于更多LIGO黑洞引力可参考陈雁北和范锡龙撰写的作品—爱因斯坦都不敢想象,我们真的探测到了引力波(https://mp.weixin.qq.com/s/UaEz192NDFdLkYPxqbyIzg)。

  图3.2.1LIGO

  资料来源:MITTECHNOLGYREVIEW

  图3.2.2 LIGO第一阶段和第二阶段观测发现的双黑洞合并事件引力波信号

  资料来源:https://www.ligo.caltech.edu/news

  图3.2.3 LIGO第一阶段和第二阶段观测发现的双黑洞合并事件以及其他手段发现的黑洞X射线双星和中子星系统等

  资料来源:https://www.ligo.caltech.edu/news

  3、巨型黑洞-星系中心超大质量黑洞

  百万-百亿个太阳质量

  类星体是上世纪60年代天文四大发现之一(另外三个分别为脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子),类星体是一种星系,但看上去非常致密,像恒星,因此得名-类星体。这类天体红移很高,目前最高约为7,即距离地球可以达到100亿光年以上,单位时间发出的热量可高达1048尔格/秒(远远高于普通星系的光度)。这么小的体积,能持续发出这么强的辐射,这种辐射不可能来自于像普通星系那样的恒星发光,因此这类天体的能源机制一直令天文学家感到困惑。后来,人们开始慢慢认识到这种星系中心可能存在一个巨型黑洞(黑洞质量为106-10个太阳质量),围绕黑洞有一个高速旋转的吸积盘,吸积盘把一部分物质的引力能变为热能并辐射出去。在活动星系等高能天体物理方面,我国具有较强的研究实力和科研团队(不一一列举)。

  除了类星体外,人们也慢慢认识到可能所有的星系中心都存在一个巨型黑洞,且发现黑洞质量和星系核球之间存在非常紧密关系(前者大约为后者的千分之一,可参考北京大学何子山等人工作)。因此,从星系演化的角度来说,可能不仅仅是星系造就了其中心的巨型黑洞,中心黑洞也严重影响了整个星系甚至宇宙的演化,否则很难解释星系核球与黑洞质量之间紧密的关系。

  图4.3.1 星系中心黑洞质量与星系核球关系示意图

  资料来源:http://cdn.spacetelescope.org/archives/images/screen/

  我们银河系中心就存在一个巨型黑洞,中科院上海天文台沈志强研究员2005年就在Nature上发表过一篇文章,利用高分辨率的射电干涉阵给出了银河系中心存在超大质量黑洞“最令人信服”的证据。国际上不同小组也在利用最新主动光学技术,期望直接通过恒星动力学方法测定该黑洞质量,经过努力欧洲天文学家贾斯(Ghez)等人利用该黑洞周围数十颗恒星动力学测得这个黑洞质量为400万个太阳质量。

  图3.3.2银河系中心黑洞质量测量,其中数十颗恒星围绕一个致密物体旋转,周期从10年到几十年,利用开普勒定律可以很精确的算出其中的黑洞质量。

  资料来源:http://www.astro.ucla.edu/~ghezgroup/gc/blackhole.html

  4、中等质量黑洞--黑洞沙漠?

  相比于比较公认的超大质量黑洞和恒星级黑洞,中等质量黑洞(102-5太阳质量)存在的证据初露端倪,但大家认可度还不高。初步候选体包括:1)矮星系中心黑洞,由于前面提到过黑洞质量和核球存在较好相关性,因此中小星系中可能会发现中等质量黑洞,这类矮星系可能没有经历主要合并过程,因此没有长大(如Greene&Ho2007;Jiangetal.2018等);2)极亮或超亮X射线源,这类源一般位于星系‘非’中心位置,但光度可以达到1039尔格/秒甚至1042尔格/秒以上(即超过或远超过恒星级黑洞的光度)。HLX-1是个特殊的极亮X射线源,大约每400天爆发一次,最高光度可以超过1042尔格/秒,从X射线部分黑体谱及吸积盘不稳定性等方式限定都表明其中心黑洞质量可能为104-5个太阳质量。因此,该源是中等质量黑洞最好的候选体之一(Davisetal.2011;Wuetal.2016等)。球状星团中也是中等质量黑洞存在的热门候选天体,目前已经利用多种方法搜寻,但结果都还有相当的不确定性。相比而言,中等质量黑洞似乎还是一个沙漠地带。寻找中等质量黑洞,对理解黑洞形成和演化将起到至关重要的作用。期望不久的将来,随着高灵敏度、大视场的望远镜或空间引力波计划的建成和投入观测,中等质量黑洞的沙漠能变成绿洲。

  图3.4.1-a 中等质量黑洞候选体HLX-1,上图为位置,下图为光变和理论计算(选自Wu et al. 2016,ApJ)

  图3.4.1-b 目前宇宙中观测的黑洞质量分布示意图,中间区域为中等质量黑洞沙漠

  望远镜的角分辨率越高,其分辨本领就越强,望远镜角分辨率是θ~λ/D,其中λ是接受辐射的波长,D为望远镜的直径,其中θ越小则说明分辨率越高。所谓“视界”望远镜(EventHorizonTelescope)就是能够分辨到宇宙中部分黑洞的视界尺度。为了提高分辨率,有两种途径:采取更短的波长和增加望远镜的尺寸。目前对与单个望远镜而言,射电望远镜直径可达几百米(如500米FAST射电望远镜),但其接收的波长很长,其实分辨率并不高(其高灵敏度是最重要优势)。在光学波段,由于材料限制,目前最大的望远镜也就是在10米左右。在高能的X射线以及伽马射线波段,只能在空间探测,由于材料和技术原因,也不能把望远镜做的很大。

来源:知社学术圈 吴庆文
爱科学

上一篇:中国科研人员开发出新型“基因剪刀”载体

下一篇:我们需要什么样的师生关系?

推荐信息

登录注册
欢迎内容投稿或举报!E-mail: ikx@ikx.cn
Copyright © 爱科学 iikx.com