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“爸爸,黑洞是什么洞?” | 黑洞的硬核知识,这样讲给孩子听

这两天

黑洞火了

度娘搜索“黑洞”动画

吓得我以为电脑中毒了

事情的始末是这样的

——

北京时间4月10日21点整,天文学家召开全球新闻发布会,有一张全球200多位科学家们用八个望远镜(阵)合力拍摄、并“冲洗”了两年的神秘照片将与公众见面——这是人类首次直接拍摄到黑洞照片

看,黑洞长这样,这颗黑洞位于代号为M87的星系当中,距离地球5300万光年之遥,质量相当于60亿颗太阳。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环——

其实很多孩子对黑洞应该都不陌生,平时阅读科普书籍或者观看科幻电影的时候,都有黑洞的图片,但这些都是科学家想象模拟出来的样子。

从1915年,爱因斯坦发表广义相对论,最先预言了黑洞的存在,到如今的100多年间,没有人真正看到它究竟长什么样,直到今天。

这张照片来之不易,为了得到这张照片,天文学家动用了遍布全球的8个毫米/亚毫米波射电望远镜,组成了一个所谓的“事件视界望远镜”——

这8座射电望远镜联合观测后,又经过2年的数据分析,才让我们一睹黑洞的真容。

真的是太值得和孩子一起来分享这件载入史册的大事!

下面是关于黑洞的硬核知识!文末还附上了几部关于宇宙的优质纪录片~趁这个机会,给孩子们讲讲宇宙的那些事儿!

黑洞是怎样形成的?连光子都无法逃离的黑洞,科学家是如何让它现形的?一起来看!

黑洞是怎么被发现的?

我们为啥要给黑洞拍照片?

给黑洞拍照片时到底拍的是什么东西?

这些问题被孩子问起时,你会回答吗?

1.宇宙中的黑洞是怎么被发现的?

科学家们发现在一些被X射线望远镜发现的双星(由一个致密星和另一个正常恒星组成)中,致密星的质量比中子星的质量上限(约为3倍太阳质量)还大,但半径却差不多,因此认为这些引力极强的致密星只能是黑洞。

目前在银河系中已发现20多个黑洞X射线双星,它们的黑洞质量大约是太阳质量的5到20倍。

黑洞剪影的模拟图像:广义相对论预言剪影是圆形的(中),其他理论则预言了不同的形状(左、右)。图片来源:D. Psaltis and A. Broderick

最近几年,地面激光干涉引力波天文台(LIGO) 已宣布已探测到11对双黑洞并合产生的引力波,这些黑洞的质量都是几十个太阳质量。

天文学家通常把这些质量为几个到一百个太阳质量的黑洞叫恒星级黑洞。

二次世界大战后,雷达技术广泛用于射电天文,许多宇宙射电源被发现。这些射电源的光学像有的看起来很像恒星,但光谱观测显示它们本质上不是恒星,而是谱线有巨大红移的银河系外遥远天体。

这些被称为“类星体”的活动星系核能辐射出比银河系高成千上万倍的能量,其发光原理不能用核反应来解释。

科学家们认为类星体的能源来自于其中心质量极大的黑洞吸积周围物质所释放出的巨大引力能↓

类星体中心超大质量黑洞及吸积盘、喷流示意图 | 图片来源:NASA/Goddard Space Flight Center

后来的观测表明像我们银河系这样的正常星系中心也存在质量在百万太阳质量以上的黑洞,只是因为这些正常星系中心的黑洞周围没有多少可供吞噬的物质,所以其表现不如类星体中心的黑洞“活跃”,无法释放像类星体那样巨大的能量。

天文学家把类星体和星系中心质量在百万到百亿倍太阳质量的黑洞叫超大质量黑洞。

那么宇宙中是否存在介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间、质量为几百到几十万倍太阳质量的中等质量黑洞呢?天文学家虽然在一些近邻星系的极亮X射线源中似乎已找到中等质量黑洞存在的迹象,但还需更多的观测予以证实。

2.捕获首张黑洞照片的事件视界望远镜有何特殊之处?是如何运作的?

中国科学院国家天文台研究员、《中国国家天文》执行总编苟利军表示,首先这些望远镜都是在亚毫米波波段,通常需要在海拔比较高的地方来减少大气中水气对于亚毫米光子的影响。

比如说位于智利的ALMA望远镜的海拔就有5000多米,这些分布于全球不同地方的望远镜通过所谓的甚长基线干涉技术(VLBI)连成一个虚拟网络,构成了一个口径达到一万公里的望远镜,VLBI技术是实现成像观测的关键。

3.都说黑洞看不见摸不着,那么给黑洞拍照时,我们在拍些什么?

黑洞本身不发光,但是黑洞周围通常都会有一个吸积盘,吸积盘有比较强的辐射或者说是发光的。

所以在明亮吸积盘的衬托之下,黑洞就会产生一个所谓的黑洞阴影。这次的观测就是通过观测黑洞本身及其临近区域,看到黑洞的阴影。

4.截至目前,我们对黑洞的认识?

对于黑洞的认识也经历了一个漫长的过程,从两百多年前,拉普拉斯基于牛顿的万有引力提出暗星,到大约100年前。

史瓦西基于广义相对论得到第一个没有转动的精确黑洞解,自此之后,很多的物理学家都对黑洞研究做出了贡献,包括奥本海默、科尔、基普索恩、霍金等。

我们现在有很多的电磁观测表明黑洞应该是真实存在的,然而我们就是没有看到过黑洞的真实模样,所以此次照片的影响是巨大的。

5.黑洞吞噬的东西去哪里了?

这的确是一个非常有趣的问题,在被吞噬的过程当中,物质都首先会被撕裂成一些最基本的粒子,然后很可能在黑洞的内部又进一步发生其他的物态变化,具体会发生什么样的过程,我们并不是特别的清楚。

经典的理论认为,掉到黑洞里的物质都会朝着中心的奇点运动,最后会聚集在那里。随着聚集的物质越来越多,质量也会变得越来越大,黑洞的半径也会变得越来越大。

6.花那么多钱拍照的意义何在?

因为是第一次看到黑洞,所以满足我们黑洞模样的好奇感,另外从科学的角度还可以提供很多的信息,帮助我们了解气体在黑洞内区真正的运动状态。

4部世界顶尖的宇宙纪录片,对世界充满好奇的宝爸妈和孩子们一起看看吧~

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