2025年高考物理宇宙中漂游的“孤立黑洞”

　　[趣味物理]宇宙中漂游的“孤立黑洞”

　　宇宙將永遠(yuǎn)的膨脹下去，還是停止膨脹或開始收縮，要由宇宙的平均質(zhì)量密度決定。已觀測到的宇宙質(zhì)量的總和還不到阻止膨脹所需臨界質(zhì)量的1%，科學(xué)家認(rèn)為尚有90%以上的物質(zhì)沒有被觀測到。這些任何光學(xué)儀器無法觀測的“暗物質(zhì)“被李政道認(rèn)為是當(dāng)代科學(xué)的四大難題之一。

　　在今年1月舉行的美國天文學(xué)會第195次會議上，印第安納州圣母大學(xué)的本內(nèi)宣布：天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩個在銀河系漂游的具有恒星質(zhì)量的孤立黑洞。

　　本內(nèi)說：“這一發(fā)現(xiàn)顯示，黑洞是普通遍存在的，很多質(zhì)量巨大的正常恒星在它們生命終結(jié)時都演化成黑洞而不是中子星“。它們可能就是我們長期尋找的銀河系中”暗物質(zhì)“的一部分。這一發(fā)現(xiàn)顯示，恒星質(zhì)量黑洞的產(chǎn)生，不一定像傳統(tǒng)的恒星理論認(rèn)為的那樣，需要一個雙星系統(tǒng)的某種相互作用，巨大的孤立恒星坍塌后也可以產(chǎn)生黑洞。

　　黑洞是不能被直接觀測到的，只能通過間接的方法來認(rèn)證。過去天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的恒星質(zhì)量的黑洞都是圍繞正常的恒星運動，它的存在是通過對其伴星產(chǎn)生的效應(yīng)來確定的。而這兩個孤立的黑洞則是使用微透鏡探測技術(shù)，結(jié)合哈勃太空望遠(yuǎn)鏡超凡的分辨能力，直接通過觀察由它們極大的引力而引起的距離更遠(yuǎn)的恒星的光線彎曲發(fā)現(xiàn)的。

　　根據(jù)廣義相對論原理，光線在引力場中會發(fā)生彎曲現(xiàn)象。當(dāng)一個大質(zhì)量的物體從遠(yuǎn)處背景的恒星前經(jīng)過時，恒星的光線會發(fā)生彎曲，形成兩個分離的恒星影像。不過對恒星質(zhì)量的黑洞而言，彎曲的角度太小了，還不到哈勃望遠(yuǎn)鏡分辨率的1／100，是無法觀察到的。但這種彎曲作用就像一個強大的凸透鏡，將光線會聚，使恒星影像變亮。這種被為引力微透鏡事件的現(xiàn)象，就是微透鏡探測技術(shù)的原理。

　　天文學(xué)家對銀河系中心進行了觀測，那里恒星非常密集，增加了發(fā)現(xiàn)引力微透鏡事件的機會。1996和1998年，位于澳大利亞堪培拉的一臺直徑為1.3米的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，另外直徑為0.9米和1.9米的兩臺望遠(yuǎn)鏡也隨即對其進行了更精確的觀測。這兩個事件持續(xù)的時間是罕見的，分別達(dá)到800天和500天，這表明起透鏡作用的物體有很大的質(zhì)量。

　　通過仔細(xì)分析可知，每一個起透鏡作用的物體的質(zhì)量約是太陽的6倍。如果假設(shè)它們是這個質(zhì)量的普通恒星，那就應(yīng)該比遠(yuǎn)處的背景恒星亮得多。而且這個質(zhì)量也太大，不可能是白矮星或中子星，因此只有黑洞才是最合理的解釋。

　　1999年6月15日，哈勃望遠(yuǎn)鏡清晰地識別了1996年的事件中被施加透鏡作用的恒星，并對事件發(fā)生后的亮度進行了精確測量。它拍攝的照片顯示，被施加透鏡作用的恒星交疊在一起，以至分辨率較低的地面望遠(yuǎn)鏡無法將它們分開。同時哈勃望遠(yuǎn)鏡還進一步對黑洞的質(zhì)量做出了更精確的估計。

　　1998年的事件更亮，天文學(xué)家通過地面望遠(yuǎn)鏡就能夠確定被施加透鏡作用的星體的亮度，但還有待哈勃望遠(yuǎn)鏡進一步確認(rèn)。

　　目前在銀河系中心方向已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了300多個被認(rèn)為是引力微透鏡現(xiàn)象的事例。持續(xù)時間較長的可能是由于“透鏡”質(zhì)量非常巨大，或是由于“透鏡”和光源之間的相對速度較慢引起的，但具體情況需要通過獲得更多的信息后才能確定。

　　1996年的微透鏡事件：從這兩張地面望遠(yuǎn)鏡對同一區(qū)域，在不同時間拍攝的照片上可以看到，方框中間的一顆恒星的亮度輕微地增加了。天文學(xué)家認(rèn)為這是由于一個不可見的巨大物體，即一個6倍于太陽質(zhì)量、在星際間漂浮的孤立黑洞，從恒星前經(jīng)過而引起的。

　　哈勃拍攝的照片：因為被觀測的星場非常擁擠，以至被施加透鏡作用的恒星攝像（箭頭所指）和其他星體（圓圈內(nèi)的另外兩顆亮星）混在了一起，地面望遠(yuǎn)鏡無法精確測量微透鏡事件發(fā)生前后恒星的亮度的變化，只能依靠哈勃望遠(yuǎn)鏡。在上兩張照片的同一區(qū)域，通過哈勃望遠(yuǎn)鏡清晰地分辨出了被施加透鏡作用的恒星，并得到了它的真實亮度。

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