
文章图片

文章图片
这个问题可能也是在许多科学领域里面让大家很困扰的问题:对于一个看不见、摸不着的东西 , 我们是怎么研究然后又给出了许多那么笃定的答案的呢?
其实很简单 , 任何一个天体、或者说任何一样东西(物体、人物、事件)在这个世界上都不能单独地存在 。 它总会以各种各样的方式或直接或间接地影响周围的事物 。 在我们了解一个历史人物的时候 , 我们会通过了解他周围的人来了解他(譬如说 , 历史上几乎没有任何对于汪伦的直接记载 , 但我们却可以通过“桃花潭水深千尺 , 不及汪伦送我情”看出他的好客) , 而要想了解一个黑洞 , 我们可以通过它周围天体和物质的特性来探知它的奥秘 。
黑洞最早是一个纯数学上的概念 , 包括拉普拉斯在内的数学家通过计算 , 提出如果有一个物体的质量足够大而体积足够小 , 那它的引力就会大到连光都无法逃离 。 在爱因斯坦于1915年发表广义相对论一个月之后 , 德国物理学家史瓦西(Schwarzschild)得到了一个广义相对论方程的精确解 , 正式预言了这样一种天体的存在 。
正如题主问得一样 , 在黑洞的概念刚刚提出的时候 , 黑洞的观测是一个非常大的难题 , 因为它本身既不发光 , 也不能反射光 , 而光几乎是天文学家所能依仗的唯一的工具 。 但随着物理学家们对广义相对论认识的加深 , 以及对各种极端情况下电磁运动的研究 , 我们现在能很确切地了解黑洞及周边天体的结构 , 并且能预言出这些结构会导致的种种可观测效应 。 所以 , 我们可以通过观测其他的天体现象来间接判断黑洞的存在 。 目前比较被接受的黑洞观测方法有三个:
一、引力效应 。 太阳有巨大的质量 , 地球也因此受到太阳的引力 。 可是地球并没有坠入到太阳里去 , 而是绕着太阳一圈一圈地旋转 。 和太阳一样 , 黑洞也有巨大的质量并对周围的天体产生引力 。 而和大部分人想象得不同 , 并不是所有的东西都会被黑洞吸引到黑洞中心的奇点 。 如果有一个物体在黑洞的“事界”(event horizon)之外 , 那黑洞对于这个物体就会和太阳对于地球一样 , 让它绕着自己旋转 。 所以 , 如果我们观测到有许多恒星绕着某个似乎空无一物的区域旋转 , 那我们可以肯定的是那个空无一物的区域有一个质量巨大的天体 。 什么样的天体会质量巨大而又不可观测呢?除了黑洞 , 也就是遵循黑暗森林法则的外星生物了(参见《三体》) 。 鉴于后者是科幻小说 , 科学家们倾向于选择前一种可能性 。 下图是对于我们银河系中心黑洞的一个观测 。 在10年的时间里(1992~2002)科学家们观测到了这些恒星对于图中十字区域的圆周运动 , 证明了黑洞(候选)的存在 。
二、引力透镜(gravitational lensing) 。 根据广义相对论 , 质量巨大的物体会弯曲周围的时空 。 而直接的结果 , 就是形成一种类似放大镜的效应 。 当有黑洞存在于我们和某些遥远天体之间时 , 来自遥远天体的星光会被途中的黑洞弯曲和汇聚 。 下图是引力透镜的效应观测到时的样子:
三、活动星系核(Active Galactic Nucleus , 简称AGN , 翻译可能不准确) 。 单独而孤立的黑洞几乎是不存在的 。 每一个黑洞附近 , 都或多或少有一些天体 , 慷慨地奉献着自己的“血肉”养育着黑洞 。 黑洞这玩意吃东西的时候一点也不文雅 , 它不仅大快朵颐地汤水四溅 , 而且是名副其实的大款——吃一碗倒一碗 。 在这些物质被黑洞的引力捕获并吞噬的过程中 , 各种带电粒子由于互相之间的摩擦会辐射出大量的高能射线(汤水四溅);而由于动量守恒和磁场的扭曲 , 很大一部分的带电粒子本身也被黑洞以接近光速的速度甩出来(到的那一碗) 。 这些高能射线(主要是X射线和伽马射线)和带电粒子会遵循一个特定的方向(垂直于吸积盘 , 也就是accretion disk的方向 。 这些翻译过来的词听着都很奇怪)从黑洞向外喷射 。 而如果这些喷射出来的射线和粒子处于能被观测到的方向 , 我们就又能间接探测到黑洞的存在了 。 下图是一个AGN的模型(这个模型现在还没有直接观测结果的证实 , 但被物理界广泛接受和认可):
所以再总结一下回答:虽然黑洞吞噬一切 , 包括光 , 我们仍然可以通过多种方式去研究和探索 , 并且观测和感知到它的存在 。
推荐阅读
- 美科学家发现:银河系旋臂已发生“断裂”,银河系是否正在解体?
- 除了黑洞还有白洞?爱因斯坦:白洞是黑洞的反演,能穿梭时间
- “黑洞很黑,我想去点亮”
- 一百多颗恒星“消失”,是什么原因?科学家怀疑是外星文明干的
- 天文学家在银河系附近发现一个古怪的黑洞,所在之处令人难以理解
- 天文学家对银河系中心进行“考古发掘”,结果发现了一条笔直的线
- 天文学家拍到一条巨大的“DNA双螺旋体”,与时空奇点相连
- 人类伟大的进步!黑洞碰撞传出神秘信号,或证明霍金最伟大的预测
- 任何单一的星系都揭示了整个宇宙的组成
- 了解黑洞吗?如果不小心掉了黑洞,你猜还能出来吗?