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%，科學家認為尚有90%以上的物質(zhì)沒有被觀測到。這些任何光學儀器無法觀測的“暗物質(zhì)“被李政道認為是當代科學的四大難題之一。

　　在今年1月舉行的美國天文學會第195次會議上，印第安納州圣母大學的本內(nèi)宣布：天文學家已經(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證。過去天文學家發(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。當一個大質(zhì)量的物體從遠處背景的恒星前經(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，那就應該比遠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鏡無法將它們分開。同時哈勃望遠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，天文學家通過地面望遠鏡就能夠確定被施加透鏡作用的星體的亮度，但還有待哈勃望遠鏡進一步確認。

　　目前在銀河系中心方向已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了300多個被認為是引力微透鏡現(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。天文學家認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，只能依靠哈勃望遠鏡。在上兩張照片的同一區(qū)域，通過哈勃望遠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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