黑洞也有“心跳”?科学家发现怪异现象,黑洞在发出周期性信号

如果说哪一种天体是宇宙中最特殊、最神秘的天体,很多人的答案应该是黑洞(www.haiqian.net)。虽然这种天体的名字我们在新闻媒体、社交平台上听过不少次,但它对于人类来说还是保持着相当高的神秘感,因为目前人类能够探测到黑洞存在的方法很有限,对黑洞的探测和研究很大程度上都是基于科学理论,因此未来人类在探索黑洞方面还有很长的路要走。

尽管人类掌握黑洞的信息并不多,但随着科学家发现黑洞的一些特殊现象,逐渐掌握一些观测黑洞的方法。比如在2017年4月的时候,一个国际科学组织首次公布了黑洞的图片。据了解,这些图片的主角是来自M87星云的黑洞,科学家经过两年的数据处理才让公众看到黑洞的真实面貌。

实际上早在2007年的时候,有欧洲科学家在人造卫星的帮助下探测到黑洞发出的持续性辐射。经研究该辐射持续了1小时左右,而且信号频谱具有周期性振荡的特点,科学家将它比喻成黑洞的“心跳”。那么黑洞的“心跳”是怎么形成的?它的发现对于研究黑洞来说有何帮助?

黑洞是如何形成的?

黑洞这个概念最早是由上世纪著名物理学家爱因斯坦、施瓦西等人联合提出来的,但由于缺乏探测设备和技术,再加上当时天体物理理论的发展出现了瓶颈,因此黑洞一直是一种猜想。70年代之后,越来越多科学家对黑洞的研究促成了黑洞理论体系的建成,让世人逐渐弄清楚黑洞的起源和发展脉络。

黑洞的起源要先从恒星的起源开始讲起,因为黑洞就是由恒星演化而来的。上百亿年前宇宙中的原恒星星云分别形成小质量恒星和大质量恒星,前者经过演化变成红巨星,最后的终点是白矮星。后者由于质量超级巨大,中期演化成红超巨星,然后通过超新星爆发演化成中子星或黑洞。

简而言之,黑洞是由大质量恒星发生坍塌后形成的。任何恒星的起始阶段都只含有氢元素的粒子,然后这些粒子无时无刻不在极高温、极高压的环境下相互碰撞,最后产生了核聚变反应。所谓的核聚变反应,指的是两个氢原子结合成一个氦原子的过程。不仅仅是氢原子可以参与反应,反应生成的粒子还可以继续参与反应,因此形成了核聚变的链式反应。

核聚变在进行过程中会释放出超强的能量,这些能量与恒星的万有引力相互抗衡,以维持恒星的结构稳定。但随着生成的元素越来越重,核聚变释放的能量越来越少,当核聚变进行到生成铁元素时,恒星内部就不再具有足够的能量来抗衡自身的万有引力,这时候就会引发恒星坍缩。对于小质量恒星来说,坍缩的结果就是中子星。对于大质量恒星来说,坍缩的结果可能是黑洞。

黑洞的“心跳声”是怎么发出的?

科学家第一次发现黑洞的“心跳声”是在2007年,当时在欧洲宇航局的“XMM-牛顿”卫星的帮助下,他们发现了一个黑洞持续一小时发出了X射线辐射。这种情况在以往的黑洞观测中是从未出现过的,因此科学家们密切关注该信号的情况。后来通过对X射线辐射进行频谱分析,他们发现该信号最明显的特点就是周期震荡。

最后因为探测路径被太阳挡住了,信号也就中断了。原本欧洲的科学家认为这次发现可能是史上的唯一一次,但没想到11年后他们再次在XMM-牛顿卫星、雨燕卫星、核光谱望远镜阵列的帮助下再次发现了该黑洞的周期震荡信号,而且信号的频谱幅度更高了。科学家将黑洞的这种特殊信号比喻成它的“心跳”,那么这种“心跳”是怎么产生的呢?

对此科学家表示,他们是通过监测黑洞的吸积盘发现了黑洞的周期性震荡信号,因此他们推测信号的形成与吸积盘有关。在2017年首次拍摄到的黑洞照片中,人们看到的黑洞类似一个“甜甜圈”,而甜甜圈能看到的部分就是黑洞的吸积盘。由此可知,吸积盘是一种圆盘状结构,它是外界物质被黑洞吸引后形成的。

目前科学家已经在同一个黑洞中发现了两次周期性震荡信号,这说明黑洞也能像其他天体一样释放出一些特殊信号,这些信号的本质就是宇宙辐射。科学家表示,通过对黑洞的“心跳”进行深入研究,有望获得与黑洞相关的关键信息,例如物质尺度和结构等。

科学家如何判断黑洞的存在?

经过数十年的研究,科学界已经总结出了几种判断黑洞存在与否的方法。第一种方法,观察宇宙中的光线传播是否会出现弯曲现象。爱因斯坦曾在广义相对论中就预言了黑洞的一个特性,即大质量天体会产生强大的引力场,导致周围时空发生严重弯曲,使得经过该区域的光线发生弯曲。黑洞就是这样一种大质量黑洞,它的时空弯曲形成引力镜效应,导致原本直线传播的光线发生弯曲传播。

第二种方法,观测宇宙中是否有天体围绕不可见的天体运动。一般情况下,天文学家在宇宙中都会观测到两颗或多颗恒星做相互围绕的运动,这是因为它们之间的引力起到平衡作用。但也有一些恒星系统只存在一颗恒星,它的引力吸引行星围绕着它运动,而它自己又围绕着星系的中心运动,星系中心往往是一片黑暗,那里很可能就存在一个超大质量黑洞。

第三种方法,通过捕捉宇宙中的X射线,由此判断是否存在黑洞。这一方法是基于黑洞“贪吃”的特性,恒星等物质被黑洞吞噬时,会被它巨强的引力撕扯成气体,这些气体在黑洞视界外围形成吸积盘,最终逐渐被黑洞吸进去。在未被黑洞吸进去之前,气体在吸积盘里面做高速旋转的运动,导致气体摩擦产生大量热量,使吸积盘的中心区域温度足够高,以促使X射线的产生。

第四种方法,通过“听”的方式来发现黑洞,最关键的问题是发现引力波。引力波也是上世纪爱因斯坦预言的一种宇宙现象,它指的是两个黑洞的合并会产生类似涟漪的痕迹。之所以说引力波像涟漪,是因为它产生后就像水面的涟漪一样向四周扩散。2015年9月14日,人类首次探测到引力波的存在,证实了爱因斯坦的猜想。

那一次通过对引力波的研究,科学家发现它是两个遥远黑洞合并后产生的电磁波辐射。引力波的发现帮助人类叩开了研究黑洞的另一扇大门,从那之后引力波的探测就变成了科学家研究双黑洞的重要方式。有科学家认为,未来使用更高精度的手段去探测引力波,将有助于人类研究黑洞内部的物质分布。

太阳系周围可能出现黑洞吗?

黑洞是宇宙中最可怕的天体,它形成后无声无息地将周围的物质都吞噬掉,许多恒星都“死”得不明不白。在意识到黑洞的可怕后,科学家想知道太阳系周围是否存在黑洞,或者说未来是否有可能会被黑洞吞噬。首先,太阳系附近出现黑洞的可能性只有一个,即大质量恒星演化到晚期后发生引力坍缩,从而形成黑洞。

根据科学家长时间的探测发现,太阳系周围一百光年内都不存在这样的恒星,因此我们不用过于担心。如果真的要说宇宙中对太阳系的威胁的话,那么在距离太阳系大约640光年的猎户座里确实有一颗正处于红超巨星状态的恒星,它就是“参宿四”。根据天文学家近几年来的观测,参宿四的体积在不断缩小,密度在不断增大,这是红超巨星即将发生超新星爆发的征兆。

有科学家认为参宿四随时都有可能爆发,而有些科学家的观点则比较保守,认为它将是几千年内人类所观测到的最亮的超新星。那么参宿四经过超新星爆发后会变成黑洞吗?科学家表示它演变成中子星或黑洞的概率相等。六百光年的距离对人类来说非常遥远,但如果参宿四变成了黑洞后迅速扩张,这段距离对它来说并不是问题。

如果太阳系周围出现黑洞,人类该怎么办?

虽然现阶段我们并不用担心这个问题,但是这种充满脑洞的问题还是值得讨论一番。如果太阳系周围出现黑洞,人类要么坐以待毙,要么全力一搏发展出能逃离太阳系的技术。不少科幻作品中都提出了逃离太阳系的方法,抛开它们的科学性不谈,有些方法还是值得研究的,至少为科学家的研究提供了方向或思路。

例如《流浪星球》里的故事,人类为了逃离膨胀的太阳,给地球装上行星发动机,推动地球远离太阳,你认为这种场景有可能实现吗?评论区里见!

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