科学家是怎样发现黑洞的呢?

Question

如题所述

Answer 1

黑洞并不能直接观察到，科学家主要是根据它周围的星团及恒星的运动状况判断出黑洞的存在，并根据黑洞对周围星团及恒星的引力，计算黑洞的质量等物理参数。

幸运的是，黑洞朝地球进发进而吞噬人类的可能性极低。

黑洞来袭是有征兆的，最初的征兆是夜晚天空中会发生微妙变化。黑洞引力将扭曲地球的轨道，随即其他行星以及银河系中恒星的轨道也会发生变化。黑洞距离地球越近，地球轨道遭扭曲的程度也就越严重。最终，地球将冲出它的轨道脱离太阳系，或是朝相反方向飞向太阳，致命的高温将地球上的一切生灵化为灰烬。

法国科学家在2006年宣布，在太阳系所在的银河系的中心“天马A黑洞”附近又发现了第二个黑洞。

这个黑洞是一个中等大小的黑洞，其质量只有“天马A黑洞”的1／2000，相当于太阳质量的1300倍。新的黑洞距离它的哥哥“天马A黑洞”为3光年，并以每秒280千米的速度以螺旋方式围绕“天马A黑洞”旋转。

当代爱因斯坦——斯蒂芬?霍金

说到黑洞，不能不提到20世纪的一位奇才——斯蒂芬?霍金。

1981年，梵蒂冈教廷科学院在一次宇宙讨论会结束时，教皇约翰?保罗二世接见了与会的科学家，当一辆轮椅载着一个精瘦的中年人缓缓驶来时，教皇竟匆匆离开了自己的宝座，跪到了这辆轮椅前，惊得在场的人目瞪口呆。坐在轮椅上的人就是大名鼎鼎的“科学奇人”斯蒂芬?霍金。

1942年1月8日，是意大利天文学家伽利略逝世300周年纪念日，也正在那一天，霍金诞生于一个英国医生之家。霍金在中小学时代的成绩并不太好，以至有两个同学曾为他将来是否能成才而打起赌来。其实霍金有自己的特长：善于思考，想像力丰富，记忆力极佳。

正如西方谚语所说，“上帝像是精明的生意人，在给你一份天才的同时，一定会搭配上几倍的灾难。”就在霍金在牛津大学上三年级时，他感到手指不太灵活，接着，有一次竟从楼梯上摔了下来。在过完21岁生日后，医生告诉他已患上了一种罕见的“ALS”病，这是一种不治之症，称为“肌肉萎缩性脊髓侧索硬化症”。虽然这种病不会影响思维活动，但会让神经细胞渐渐瓦解，使呼吸肌肉僵化，全身瘫痪窒息而死。医生预言他很可能活不到25岁，但在心爱的女友的鼓励下，霍金没有消极地坐以待毙，而是全身心地投入了他的研究工作。

在1974年后，霍金渐渐不能动弹了，终日躺在轮椅上的他，后来竟发展到全身只有左手上一个指头和脸上少数几块肌肉尚能活动，他那模糊不清的话语只有妻子才能猜个大概。可是连这点可怜的语言能力也未能保持多久，1985年的一次肺炎使他永远失去了说话的能力。多亏一位电脑专家专门为他设计制造了一种软件，可以让他只用头部及眼睛的动作来控制开关，把想说的话输入到“语言合成器”中，以每分钟15个单词的速度“说出来”，也可以把话存入磁盘中。霍金每做一个小时的演讲，事先的准备工作至少要花10天时间!

霍金不仅创造出大大超过医生所说的生命极限的奇迹，还在1974年提出了震撼天文学界与物理学界的“黑洞物理学”。这是一门极其深奥的理论，它把广义相对论、量子力学、热力学等有机地结合起来。它的一些理论推导，往往一个公式或方程式就要写上几十页，让人看了发怵。但正是这个神奇的理论，使黑洞研究进入了崭新的阶段，不但为人们寻找黑洞指明了方向，也生动地描绘出了宇宙极早期的“大爆炸”和“暴长宇宙”的新图像。霍金也理所当然地获得了1978年理论物理学界的最高奖——“爱因斯坦奖”。

根据霍金的理论，宇宙中不仅有恒星级那样的黑洞，也应有大小达0.03光年、质量达几百万倍太阳质量的“巨黑洞”，还可能存在着只有“基本粒子”那样大小、质量在10万亿千克(相当于地球上的一座山)的“微黑洞”。

霍金于1988年所写的科普名著《时间简史》风靡世界，也受到了中国读者的喜爱。2002年8月，他应邀来到了中国，做了多次科学演讲，一股“霍金热”很快席卷了神州大地。

Answer 2

很多人都会认为是爱因斯坦预测了黑洞的存在，其实并不是。虽然爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在，但他本人并不认为黑洞是存在的。1915年，德国的科学家史瓦西通过计算得到爱因斯坦场方程的一个真空解，通过这个解可以知道，当一个星体小于一定半径的时候，在这个半径内是会出现奇异现象，在这个半径内连光都无法逃逸，其实这种天体也不是爱因斯坦命名的，而是美国科学家惠勒把它命名为黑洞。

在1915年的时候，史瓦西通过对广义相对论的一个关于球状物质分布的解，根据此解，他发现在这个球状半径内时空弯曲的非常厉害，以至于任何物质都无法从这个球状半径中逃出去，就连光都无法从这个球状半径中逃出，所以说黑洞是“黑”的，它是无法观测，只能通过间接的方式发现其存在。

黑洞是大质量的恒星在演化到后期发生超新星爆炸形成的，一般30倍太阳质量的恒星就会演化成黑洞，而根据史瓦西半径公式得出太阳的史瓦西半径为3000米，地球的史瓦西半径是0.9厘米，通俗点说就是如果把地球压缩到0.9厘米，那么它将会成为一个黑洞。

一直以来，我们看到黑洞的图片都是科学家根据相关理论用电脑模拟出来的，直到2019年的时候，第一张黑洞照片的公布，又一次验证了爱因斯坦广义相对论的正确性。

黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的一种现象，爱因斯坦用广义相对论为黑洞进入科学领域铺平了道路，而这并不是他真正的意图

1915年，爱因斯坦发表了一系列广义相对论的演讲，声称空间和时间是一个连续体，可被任何有质量的东西扭曲，扭曲的结果就是引力，即引力是 空间和时间扭曲的结果，并 迫使一切物体，从光到行星，甚至从树上掉下来的苹果，沿着弯曲的路径穿过空间。

当爱因斯坦发展广义相对论的时候，花了大约十年的时间用一种叫张量微积分的数学形式近似地解出自己方程的解，即使是最优秀的科学头脑，也会对数学感到困惑。然而，这一挑战并没有阻止爱因斯坦同时代的一位天文学家——一位名叫卡尔·史瓦西的理论物理学家，史瓦西本质上是一个现实主义者，但他非常擅长处理理论概念，当爱因斯坦1915年发表关于广义相对论的文章时，史瓦西是第一个认识到它们重要性的人之一。

史瓦西是一位德国爱国者，所以当第一次世界大战爆发时，他把手上的天文学研究放在了一边，而选择了参军。当他读到爱因斯坦的论文时正在比利时、法国和俄罗斯前线参加战斗。尽管如此， 史瓦西还是被广义相对论的本质所吸引，开始为它的方程寻找精确答案 。在患了重病被送回家休养两个月后，史瓦西终于能够集中精力完成他的计算，在1916年去世前不久，史瓦西完成了他的工作，同年晚些时候出版了：《论爱因斯坦理论中的点质量引力场》成为现代相对论研究的支柱之一，史瓦西在其中提出了他对爱因斯坦未解方程的解。

当爱因斯坦写下他的广义相对论时发现了描述引力的新方法，即引力是空间和时间扭曲的结果，物质和能量存在于时空背景中，有三个空间维度和一个时间维度，物体的质量会扭曲时空结构——质量越大的物体对时空影响越大。就像放在蹦床上的保龄球会拉伸织物，使其产生凹陷，行星和恒星也会扭曲时空——这种现象被称为“短程线效应”。因此，围绕太阳运行的行星不会受到太阳的引力；只是沿着太阳质量引起的弯曲时空变形运转。行星从未落入太阳的原因是由于行星的运行速度，简洁地说就是“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何移动。”

史瓦西意识到物体表面的逃逸速度取决于它的质量和半径 。例如，地球的逃逸速度约为每秒11.2公里——这是火箭在离开地球之前必须达到的速度。但是，如果能使给定质量的半径足够小，逃逸速度就会增加，直到达到光速，即每秒30万公里，在那时，物质和辐射都无法从物体表面逃逸。此外，原子力或亚原子力无法使物体承受自身的重量。因此，物体坍缩成一个无限小的点——原来的物体从视野中消失，只留下它的重力来标记它的存在。结果，会在时空结构中创造了一个无底洞，称为奇点。史瓦西还解释说，一个奇点被一个球形引力边界所包围，这个边界会永远困住任何进去的东西，这个边界叫做视界（ event horizon）。史瓦西还提出了一个公式，可以计算出视界的大小，这就是史瓦西半径，是时空无底洞的边缘，太阳的史瓦西半径为3公里，即它的视界就在离它表面三公里的地方，地球的史瓦西半径是9毫米。

史瓦西的论文中包含了激进的预测，时空无底洞的想法困扰了许多科学家包括爱因斯坦， 爱因斯坦本人并不相信黑洞的存在，尽管他自己的理论预言了黑洞的存在，但他强烈反对这一观点。1939年，爱因斯坦在《数学年鉴》上发表了一篇文章，试图证明这样的时空无底洞是不可能存在的。 因为它公然违背了人类经验——世界是有限的，一切都可以称重和测量。

1967年 美国物理学家约翰·惠勒将史瓦西提出的”引力完全坍缩的物体“的原始说法进行改进，将之命名为黑洞。 科学家们大约五十年来都没有意识到它在恒星演化中的重要性，直到最近才意识到它对宇宙发展的巨大影响。现代的科学共识是——黑洞确实存在，而且是宇宙最重要的特征之一，天文学家已经能够以不同方式间接地探测到它们，因此黑洞的存在是毫无疑问的。

首先要明确一下， 黑洞不是爱因斯坦预测到的 ，1905年爱因斯坦发表狭义相对论后，从1907年开始了长达八年的对引力的相对性理论的 探索 。在历经多次弯路和错误之后，他于1915年11月在普鲁士科学院上作了发言，解释 引力如何作用时， 给出了著名的爱因斯坦引力场方程：

整个方程的意义是： 空间物质的能量-动量分布决定空间的弯曲状况。

1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。

爱因斯坦对物体之间存在相互吸引的引力这种现象解释为因为物体的质量使得物体所在环境的空间、时间扭曲，而这种扭曲的结果并迫使一切物体，沿着弯曲的路径穿过空间，这种现象在最后外我们的观察中就感觉物质之间存在相关吸引的引力。比如：我们日常生活中看到的苹果从树上掉到了地上 现象 ，爱因斯坦给出解释：因为地球的存在，使得地球周围的空间、时间发生了扭曲， 苹果沿着扭曲空间行进而已；而牛顿给出的解：世界万物都存在相互吸引，苹果受到了地球的引力才从树上掉了下来。后来在天文观察中，发现爱因斯坦的理论计算结果更接近天体运动轨迹，如关于水星近日点进动值的计算结果。 卡尔·史瓦西利用爱因斯坦的引力场方程，计算出了一个特殊的存在，即根据物体的质量可以使其周围的环境的空间、时间扭曲，而且扭曲程度跟其能动张量 Tuv成正比的。通过计算卡尔·史瓦西得出如下结论：当一个天体的能动张量Tuv足够大，使其周围的环境的空间、时间严重扭曲，以至于当光线（宇宙中速度最快的物体）靠近这个天体一定距离是都无法逃逸，后来科学家把这种天体命名为黑洞。

换句话说，爱因斯坦只是给出解释引力现象的一种方法，而卡尔·史瓦西利用这种方法推算出来一种特殊的天体，然后这种天体被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。

北京时间10日晚9时许，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布了黑洞“真容”，这是人类首次拍到黑洞的照片， 证明在极端条件下 爱因斯坦广义相对论 仍然成立 。该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环，如上图。

Answer 3

人类是如何发现黑洞存在的呢？黑洞究竟是什么东西？

“科学家是如何发现第一个超级黑洞的？由谁发现的？什么时候发觉？请解释一下第一个超级黑洞怎样被发现了。”并没有哪一位科学家能够独领风骚发现黑洞的荣誉。在表述科学家怎样发现黑洞存有的征兆以前，必须掌握两根极为重要的物理背景信息。一切大于绝对零度（-273℃）的星体都是会发送出热量，辐射源的峰值波长在于星体温度。比如，太阳外表温度大概6000开，但当它排出做到最高值时，便以绿色光的方式展现出来。 如果一个星体温度在100万度上下，它最高值发送就会是X射线。行星一般因与热流压力和辐射源工作压力相关的吸引力而可免于塌缩。可是，一旦热量由来（核聚变反应）断开，行星便会塌缩。事实上，当行星变得更加高密度时，除开空气压力，还有其他能量会相抵吸引力，例如孔径仅是10公里中子星。但天体物理学家钱德拉塞卡尔证实，一旦行星超过了一个较大品质，将并没有其他东西可以和吸引力对抗。因而，假如我们在太空中发现了一个致密天体，其品质超过临界质量，我们就能明确这是一个超级黑洞。返回找寻超级黑洞问题上：假如什么也没有能逃出超级黑洞，超级黑洞又如何被发现了呢？试想一个双星系统，一个是超级黑洞，另一个是正常的行星。假如正常的行星的绝缘层极其贴近超级黑洞，超级黑洞猛烈地吸引力便会吸走正常的行星气体，把它撕破、吞食。但是，因为角动量守恒，汽体不容易立即深陷超级黑洞，务必紧紧围绕它运转一段时间，才能被吸进。因此，超级黑洞周边形成了一个盘类构造，汽体被超级黑洞迟缓消化吸收。当汽体绕园盘轨道运行时，它环境温度会提升到上百万度，传出光谱仪中X射线的部分辐射源（依据之上第一条注解）。因此，当我们在上空检测到X射线源，就证明该点存有加温到上百万度气体，而超级黑洞四周的吸积盘便是完成这一点的体制之一。假如传出X射线的软件是一个双星系统，那就可以证实在其中一颗行星是一个致密天体（中子星或超级黑洞）。双星系统对科学家的探索非常有利，它能帮助我们精确测量出系统内行星的品质（依据开普勒定律）。假如致密天体的品质超过以上所提到的临界质量，就可以知道它是一个超级黑洞，之上就是发现黑洞的形式。

Answer 4

在上个世纪60年代的时候，美国为登月做准备，发射一系列探空火箭进行观测。在进行X射线观测的时候，偶然发现一个奇怪天体，它位于天鹅座当中，是在X波段观测到的第一个此类现象，所以称之为天鹅座X-1，后来确定这是一个黑洞。

Answer 5

主要是通过一些科技来观测黑洞，而且黑洞的影响是非常大的，所以到现在为止都没有看就清楚。