31岁的黑洞-黑洞大作战.docx

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1、31岁的黑洞 黑洞大作战 科普也疯狂2010年11月10日，美国宇航局在其官方网站上预告：在即将召开的新闻发布会上将向公众报告最近发现的“异常物体”。由于该预告语焉不详，从而引发了世界各国媒体的广泛猜测：有媒体认为很可能是“正式宣布外星人或不明飞行物（UFO）的存在”，更多的媒体则相信该发现将“震惊全人类”。为此，大量的“粉丝”夜以继日地守候着这次发布会，钱德拉X射线天文台的官方网站也一度因突如其来的大量访问而陷入瘫痪。 五天后的2010年11月15日，美国宇航局终于揭开了这一吊足全世界胃口的“秘密”：该“异常物体”既不是此前盛传的外星人，也不是UFO，而是位于地球附近的一个年仅31岁的黑洞。

2、消息发布后，不少“外星人粉丝”对此次“乌龙新闻”深感失望。有的批评美国宇航局故弄玄虚，也有的指责媒体炒作新闻，但更多的人则认为，虽然有那么一点疯狂，但此次科普活动确实“效果不错”。 这个年仅31岁的黑洞位于距地球5000万光年的室女星系团中。它的质量大约是太阳的5倍，是由一颗质量约20倍于太阳的超新星爆炸形成的。这是唯一一个人类全程见证它形成的黑洞，也是到目前为止超新星爆炸能够形成黑洞的唯一的直接证据。这事儿的最大功劳，应归于美国马里兰州的天文爱好者古斯约翰逊。32年前的1979年4月19日晚上，正在观测星空的约翰逊，看到一个星体突然猛地一亮，立即意识到此事非同寻常。随着约翰逊的发现，这颗超新

3、星进入了人们视线，并成为研究人员眼中最重要和研究最多的星体之一。 它究竟几岁 “距地球5000万光年的黑洞怎么可能才31岁？”这是美国宇航局公布“最年轻黑洞”消息后，网友议论最多的话题之一。 众所周知，光年是个长度单位，指的是以每秒30万千米的速度传播的光，在一年时间里所穿越的空间距离。“距地球5000万光年”意味着来自那儿的超新星发出的光，经过了5000万年才到达地球。也就是说，地球上的天文学家通过钱德拉X射线望远镜接收到的X射线，是位于那儿的一个X射线源在5000万年前发出的。因此，当美国宇航局宣布，这个X射线源来源于一个刚诞生不久的黑洞时，这个最年轻的黑洞已经老了5000万年了。其实这并

4、不奇怪，就像你和我都见到过太阳，但却从未有人看到过它此时此刻的真面貌一样。由于太阳发出的光500秒后才能到达地球，因此我们所能看见的都是8分20秒前的太阳。 因此，对地球上的观测者而言，这个黑洞的直观年龄，今年可以说是32岁了；但它的实际年龄大约是（5000万+32）年，简单地说就是5000万年左右。北京天文馆馆长对此打了一个很好的比喻：我们现在看到的是一个小孩从出生到32岁的整个过程，但这实际上那是发生在5000万年前的事儿。 宇宙中的“怪物” 虽然，早在两百多年前就有人讨论了现在称做黑洞的概念，但“黑洞”这个名字是直到1967年才由美国物理学家约翰惠勒提出来的。这真是一个天才之举，因为这一

5、名字本身就把黑洞送入了充满科学幻想的神秘王国，刺激了科学家对它的研究兴趣。为了理解黑洞究竟是怎么一回事，不妨先思考一个小问题：小球为什么会掉到地上？ 当你在操场上将网球奋力竖直上抛，不一会儿球就掉到了地上。如果改用弹弓将一干泥丸用力向上射出，虽然隔了稍长一点的时间，但泥丸还是落回了地面。这是由于它们在上升过程中受地球引力作用速度不断减小，最后停止上升并落了回来。区别仅仅在于初速度较大的泥丸升得更高一些，运动的时间也更长一些而已。但是，如果网球或泥丸上升时的初速度大于每秒11.2千米，它们就能挣脱地球引力的束缚，在茫茫宇宙中逃之夭夭，永远不再落回地面。人们因此把每秒11.2千米这一速度，称为地球

6、的“逃逸速度”。 太阳也有它的逃逸速度，其值约为每秒161千米。也就是说，太阳表面的物体要挣脱太阳引力的束缚至少得有这一初速度才行。这个速度比炮弹的飞行速度大得多，但与每秒30万千米的光速相比，那可差得远了。所以，光可以毫无困难地从地球或太阳表面逃走。但是，如果有这样一个天体，它的质量足够大而体积却足够小，那么它的逃逸速度就将比光速还大。在这样的一个天体表面，就连光也无法挣脱其引力的束缚。由于宇宙中没有任何东西的运动速度能超过光速，所以，当光都无法从该天体表面逃脱时，其他任何东西就更逃脱不了了。 人的眼睛之所以能看见一个物体，是由于该物体发出的光或反射的光进入了眼睛。如果没有任何光线能从该物体

7、发出或反射出来，那么尽管它确实存在，人眼却无法看见。黑洞就是这样一种连光都无法从其表面逃逸的宇宙中的“怪物”。 如何“看到”黑洞 聪明的你一定会问：既然黑洞是黑的，连光都无法从其表面逃脱，那科学家是怎么看到黑洞的呢？科学家从没指望能直接观测到黑洞，他们庆幸的是，由于黑洞会将它极其强大的引力作用到它周围的天体上，所以仍有证实它是否存在的办法。 黑洞形成后，周围的气体会在它的强大引力作用下，朝着黑洞下落；速度越来越大，温度越来越高，就像陨石坠落地球一样。这个下落过程叫“吸积”。由于这些下落气体会旋转，所以就形成了盘状的结构，就像我们太阳系的行星绕着太阳旋转而形成的盘面一样；科学家称此气体盘为“吸积

8、盘”。这次钱德拉X射线望远镜接收到的X射线，确实不是“最年轻黑洞”本身发出的，而是由非常靠近该黑洞的吸积盘中的炙热气体发出的。天文学家就是通过观测这些X射线“看到”黑洞的。 你一定又会问：天文学家又如何知道他们观测到的X射线确实来自吸积盘，而不是其他天体？这是由于来自吸积盘的辐射有着与其他天体辐射完全不同的特征。最突出的特征就是它的波长跨度很宽，从最长的无线电波到到非常短的X射线都在其中。但最关键的是，在“硬X射线”波段，吸积盘的辐射能量会随着波长呈现一种非常特殊的分布。这是天文学家确认“最年轻黑洞”存在的主要依据。 黑洞的魅力 与地球上的生物一样，宇宙中的天体也会经历诞生、成长、衰老和死亡。

9、地球不会变成黑洞，除非你能将它压缩成乒乓球大小。太阳也不会成为黑洞，除非它从目前的半径70万千米的巨大火球，变成一个半径只有3千米的球体。只有质量大于20倍太阳质量的恒星死亡后才可能形成黑洞。尽管天文学家已在银河系内发现了20多个黑洞，但在宇宙漫长的历史中，应该有很多恒星早已烧尽了它们的燃料并坍缩成黑洞了。 “最年轻黑洞”的发现之所以意义重大、激动人心，原因就在于这是人类第一次看到了黑洞的诞生及其“婴儿期”演化的整个过程。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32年时间里，天文学家积累了对这个黑洞的详尽观测资料。这对于验证

10、已有的恒星演化和黑洞形成理论，推断宇宙中黑洞的分布，无疑将有极其重要帮助。 其实，天文学家之所以对黑洞如此有兴趣，还有其他原因。“一黑、两暗、三起源”是目前国际上的天体物理研究热点。其中“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、天体起源和生命起源。黑洞研究之所以重要，首先是因为黑洞周围引力极强，由此引起的吸积盘中气体的物理性质也都非常极端，例如，超高温、超高压、超强磁场等等。这些极端的条件都是地球上的实验室无法达到的，但却对验证物理学的基础性理论，例如广义相对论等起着举足轻重的作用。其次，宇宙中大部分有趣的剧烈爆发，或超高能量现象都是跟黑洞联系在一起的。因此，研究黑洞能直接帮助我们揭开这些现象的神秘面纱。 第 6 页 共 6页