黑洞这玩意,算是人类目前可观测宇宙中最神秘的存在之一了,黑洞黑洞,不管你懂不懂天文学,咱们光听名字就知道是它是黑的。但是最新发现了一个黑洞,不但亮度是太阳的几百万亿倍,甚至每天都能“吞噬”一个太阳!
我们都知道,黑洞引力之大,光都无法逃脱,那么这种比恒星还亮的黑洞是怎么回事?它和普通的黑洞有什么区别?这种黑洞又是怎么诞生的呢?
黑洞“不黑”黑洞,这一名字听起来就充满了神秘和力量,是宇宙中最引人注目的天体之一。黑洞的名称来源于其独特的性质:它们的引力强大到连光都无法逃脱。这种特性使得黑洞从外界看起来像是一个完全黑暗的区域,因此得名“黑洞”。
一般我们说的黑洞是由恒星演化末期的坍缩形成的。当一颗大质量恒星耗尽其核燃料后,无法再支撑其自身的引力时,核心会发生坍缩,形成一个密度极高、引力极强的区域。这个区域的引力超级强大,以至于连光子都无法从其中逃脱。
从外部看,黑洞是完全不发光的。事件视界就是黑洞的边界线,一旦物质或辐射跨过这个边界,就无法再逃脱黑洞的引力束缚。事件视界内的所有物质和辐射都会被黑洞吸引并吞噬,使得黑洞的质量不断增加。
事件视界的存在使得黑洞成为一个极其神秘的天体。从外部观察者的角度看,任何接近事件视界的物体都会显得越来越慢,最终在时间上似乎被冻结在事件视界上。这种现象是由引力时间膨胀效应造成的。
黑洞之所以“黑”,除了捕捉光子,还因为它们本身不发出任何光线或电磁波。所以如果从视觉上看,它们就像是一个没有光线的区域。所以叫黑洞,并不是因为它的是黑色的。
既然这样,那么人类是如何观测黑洞的呢?科学家们发现当黑洞的强大引力作用于其周围的物质时,这些物质会被加速并加热,发出强烈的X射线。通过观测这些X射线,就能够推测出黑洞的存在。
那么开头说很亮的黑洞又是什么情况呢?不是说光子都无法逃脱黑洞吗?
黑洞“很亮”今年(2024)2月,澳洲国立大学、欧洲南方天文台、索邦大学联合在《自然天文学》学术期刊上发表了一篇论文,他们发现了一颗类星体J0529-4351,是迄今为止发现的成长最快的类星体。
这个类星体每天能吃掉一个太阳那么大的物质,而且也是现今最亮的类星体,高达太阳的500亿倍。咱们不是在说黑洞吗?怎么扯出个类星体了?别急咱们慢慢解释。
在20世纪中叶,天文学界经历了一次重大的突破,科学家们发现了一类神秘而极其明亮的天体,它们的亮度远超一般恒星,却在观测中显得极为怪异,这类天体就是我们今天所称的类星体。
类星体的发现始于无线电天文学的兴起。20世纪50年代,随着无线电望远镜的广泛应用,天文学家开始系统地扫描天空,记录来自宇宙的无线电波信号。当时他们发现了一些非常强烈的无线电源,但这些信号的来源却难以确定。
最早引起注意的一个无线电源是3C 273。1962年,英国天文学家西里尔·赫茨使用月球掩星技术(利用月球掩盖和显现无线电源的时间)精确定位了3C 273的光学对应体。同年,马尔滕·施密特对3C 273的光谱进行了详细分析。
1963年,施密特在对3C 273的光谱进行分析时,发现其光谱线表现出异常的红移。这一发现至关重要,因为红移表明这个天体正以极高的速度远离地球。通过计算,施密特确定3C 273位于极其遥远的宇宙深处,距离我们数十亿光年。
红移是一种天文现象,表示天体发出的光波长因其远离我们而变长,这通常意味着该天体正以极高的速度远离地球。3C 273的红移非常大,这意味着它离我们极其遥远,远远超出了银河系的范围。
根据红移数据计算,3C 273的距离达到数十亿光年之遥。如此遥远的距离却发出如此强烈的光芒,这意味着3C 273必须是一个极其明亮的天体,其亮度远超一般的恒星。随着更多类似天体的发现,天文学家逐渐发现类星体的中心被一个超大质量的黑洞掌控。
为了了解类星体的能量来源,科学家们提出了吸积盘模型。根据这个模型,类星体的核心是一个超大质量黑洞,周围的物质在黑洞的强大引力作用下形成一个高速旋转的吸积盘。
当这些物质落入黑洞时,其引力势能和动能转化为热能,释放出大量的电磁辐射,特别是X射线和紫外线。所以这个类星体,其实本质上就是黑洞。
不是所有的黑洞都叫类星体类星体一定是黑洞,但黑洞可不一定都是类星体。单单是黑洞就分为不同类型。最小的黑洞称为恒星级黑洞的质量在几倍到几十倍太阳质量之间,通常由比太阳大数倍的恒星在超新星爆发后塌缩形成。
中等质量黑洞的质量在几百到几千倍太阳质量之间,可能是通过恒星级黑洞互相吞噬,可能还有其他形成原因。
超大质量黑洞的质量在百万到数十亿倍太阳质量之间,通常位于星系的中心。
所谓的类星体就是超大质量黑洞在活跃状态下的表现。当一个超大质量黑洞正在快速吸积大量周围物质时,物质在黑洞的强大引力作用下形成一个高速旋转的吸积盘。
这个吸积盘中的物质在向黑洞中心坠落时被加热到极高温度,释放出大量电磁辐射,包括可见光、紫外线和X射线。由于类星体的亮度极高,甚至可以超过整个星系的亮度,它们成为宇宙中最明亮的天体之一。
而且并不是所有的黑洞都能表现出类星体的特性。因为黑洞并不总是处于活跃吸积状态。只有当一个超大质量黑洞正在快速吸积大量物质时,它才会表现出类星体的特性。
许多黑洞尤其是恒星级和中等质量黑洞,大部分时间处于相对安静状态,吸积速率较低,不能发出显著的辐射,因此不能被称为类星体。就算恒星级黑洞和中等质量黑洞在活跃吸积物质,也不会被称为类星体。
类星体的辐射强度极高,这主要是由于其超大质量黑洞的极高吸积率和巨大质量。这种强大的辐射强度使得类星体可以在极远的距离上被观测到。而其他类型的黑洞,即使在吸积物质时,产生的辐射也相对较弱,通常只能在较近的距离内被探测到。
但是即使是超大质量黑洞,也不是永远能当类星体的。
银河系中心的超大黑洞远的不说,就说咱们银河系,银河系中心有一个超大质量黑洞,但从现在来看,它并不是一个类星体。这个黑洞被称为人马座A*,相当于400万个太阳那么大。尽管它是一个超大质量黑洞,但它并不符合类星体的特征。
人马座A*是银河系中心的超大质量黑洞。科学家们通过多种观测手段,如射电望远镜、红外和X射线望远镜,确定了这个黑洞的存在。尽管它的质量巨大,但人马座A*的吸积率非常低,这意味着它吸积周围物质的速度较慢,因此发出的辐射相对较弱。
它周围的物质较为稀薄,没有足够的物质形成明亮的吸积盘。银河系已经大约100亿岁了,它中心的环境已经相对稳定,没有大量的物质被引导进入黑洞。现在人马座A*已经没有表现出类星体那样的极高亮度。
但是偶尔,人马座A*也会从其周围的物质中吸积一些物质,产生短暂的X射线和红外辐射闪光。这些闪光是因为物质在靠近黑洞时被加热到高温并释放能量。
在宇宙历史的早期,类星体非常常见,主要集中在大约几十亿年前。现在随着宇宙的膨胀和星系的演化,类星体的数量确实显著减少了,但它们并没有完全消失。
比如之前提到的类星体J0529-4351,离我们至少120亿光年,我们看到的它也只是它120亿年前的样子,现在它可能都已经不那么“爱吃”了。可能这120亿年里,它早已经度过了其最活跃的吸积期。周围剩余的气体和物质也不再足以维持类星体所需的高吸积率。
结语类星体在早期宇宙中扮演着至关重要的角色。它们不仅通过强烈的辐射和吸积活动影响星系的形成和演化,还推动了超大质量黑洞的生长,对星系的性质和演化过程产生了一些深远影响。
类星体释放的大量紫外线辐射促使宇宙再电离,标志着宇宙从暗时期向光明时期的转变。类星体的红移和光谱信息更是宇宙学研究的重要工具,帮助科学家测量宇宙的膨胀速率、了解宇宙的年龄和结构,以及探索暗能量和暗物质等问题。
虽然科技在进步,但目前我们对宇宙的了解也只是沧海一粟,可能现在大家认可观点,在之后几百年又被推翻也未可知。
参考资料:
QSO J0529-4351型;维基百科一个由黑洞提供动力的类星体,该黑洞每天吃掉一个太阳;卫报,2024一个170亿太阳质量的黑洞每天增加一个太阳质量;自然天文学,2024最明亮和增长最快的类星体:天文学家发现了破纪录的类星体;欧洲南方天文台,2024