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    星系是“群居动物” 未来能否找到双黑洞系统?

    时间:2018-03-23 09:32来源:未知 作者:admin 点击:
    html模版 星系是“群居动物” 未来能否找到双黑洞系统? 黑洞面临的是极点的国际,它是科学上已知世界中最极点的事物。黑洞中有十分大的东西,也有十分细小的东西,物体以光速运动,时刻会中止,科学中很难幻想还会有其他物体比黑洞更奥秘和风趣。当然不止在
    html模版星系是“群居动物” 未来能否找到双黑洞系统?

      黑洞面临的是极点的国际,它是科学上已知世界中最极点的事物。黑洞中有十分大的东西,也有十分细小的东西,物体以光速运动,时刻会中止,科学中很难幻想还会有其他物体比黑洞更奥秘和风趣。当然不止在科学中,在群众文化中也是,黑洞引起了好莱坞的幻想,拍了许多相关的电影,《星际穿越》众所周知,还有《视界》和至少另两部法语电影,所以从科幻自身来讲,黑洞的确渗透到群众文化中了。黑洞当然也激发了群众的幻想,但也发作了许多误解,许多人以为黑洞很风险,“当心黑洞,由于它会把任何东西吸进去,包含你”,其实不是这样的,黑洞自己不会把你吸进去,比方要经过彼此磕碰、丢失角动量才干掉入黑洞。

    黑洞漫画

    黑洞漫画

      从物理的视点,黑洞其实是十分简略的物体,爱因斯坦通知世人许多东西,其间他的一个公式人尽皆知,E = mc^2,只是经过光速这个常量,就能够将质量和能量彼此转化,光速是300000 千米/秒,没有东西能够超越光速,爱因斯坦还通知咱们质量能够曲折时空,像地球这么大的不太重物体只细微地曲折时空,可是当物体质量添加或许越来越严密,越来越大,时空将歪曲得越凶猛,假定一向这样会发作什么呢?假定一向让物体变大或许缩小会怎样呢?

    黑洞漫画2

    黑洞漫画2

      200到250年前,两个名人现已考虑过这个问题,他们问了这样的问题,假定恒星的质量如此之大或如此细密致使逃逸速度超越光速,会发作什么现象?那时他们不知道光速不能超越300000千米/秒,咱们能幻想会发作什么吗?其实十分简略,以地球为例,假定用某种机器把它紧缩到花生米那么大——9毫米,它就成为一个黑洞了,假定将太阳紧缩到3千米,也能够成为黑洞,3千米也就是上海的恣意一个大街的巨细,所以其实这就是构成黑洞所需求做的事。

      咱们知道天然界有两种黑洞,第一种很简略,是恒星正常演化的产品,像太阳这样的恒星经过上边这个办法演化,恒星变成红巨星后终究变成白矮星完结生命。但假定恒星质量超越太阳质量的10倍乃至20、30、50、100倍,那么它们大多以中子星的办法完结,自转十分快的中子星又名脉冲星,可是假定恒星质量超越25或许30个太阳质量,它将以黑洞办法完结。

      咱们是经过X射线地理学得知这些天体的存在。1960年代第一颗卫星发射时,人们发现一种叫做X射线双星的现象,X射线双星起源于恒星等级黑洞对物质的吸积,由于物质落入黑洞的引力势阱,天领会变得极热并宣布X射线波段的辐射。可是,存在一个根本的问题,咱们怎样才干知道这些天体是黑洞?黑洞的界说是什么?由于即便光也不能逃逸出黑洞视界,咱们还不能直接丈量黑洞视界的里边。

      除此之外,地理学家能够做的最好的就是丈量天体的质量,丈量它多重,而且证明天体没有宣布辐射、是漆黑的。丈量天体质量的办法在地理学上其实很简略,就是用咱们了解的牛顿定律。在太阳系中咱们十分了解,假定不知道太阳的质量而且你第一次做试验,你该怎样断定太阳的质量呢?测一下环绕太阳滚动的行星轨道就能够了。咱们都知道地球绕太阳一圈需求一年,水星离太阳更近,每3个月旋转一周,木星离得更远,需求12年绕一周,所以假定了解行星轨道,知道方位和速度的径向方程,就能够运用中学学到的闻名的、简略的牛顿公式算出太阳的质量,不需求对发光的太阳自身有了解。

    黑洞漫画3

    黑洞漫画3

      假定太阳俄然变成漆黑,关掉光的开关,把它变成个黑洞,而行星的轨道不会变,轨道不会依靠太阳的辐射,只是和引力有关,这才是要害。需求丈量天体的速度和离中心的间隔,可是地理上怎样丈量速度呢?其实也很简略,地理学是很简略的学科,咱们都知道多普勒效应,假定在街上一辆救火车或救护车经过,能够听到警笛的腔调发作改变,一辆车先挨近然后脱离你,由于这是声波的性质,波源挨近时波长紧缩,远离时波长伸长,变成频率不同的腔调。众所周知光也是一种波,光波和声波行为办法相同,只不过是不同类型的波,有无线电波、人眼可见的可见光波,也有特别的波,像X射线和戴教授评论过的伽马射线,这些都是波。怎样丈量天体的速度和方向呢,丈量波长就能够。

      假定站立不动波源向你挨近的话,光波波长会被紧缩,波长变短,咱们称作蓝移。假定波源快速远离你,光波波长就会伸长,发作红移。咱们丈量波长移动就能够,可是相对于什么的移动呢,需求找一个中止的参照物,走运的是咱们知道怎样在试验室找到参照。

      天然界有不同的原子,不同的原子受激会宣布特定频率或波长的光。比方,街灯中的钠宣布黄光,氖灯宣布红光由于氖的主跃迁线在红光区域,这是氢原子的特别的指纹,就好像你的DNA和你自己手上的指纹,氦作为世界中含量第二多的元素也有自己的指纹,从太阳光谱中能够直接看出来,让阳光经过棱镜,能够看到一模相同的光谱线图画,由于太阳主要由氢和氦组成,还有其他元素,这就是要害。

      调查光谱与试验室数据比照的相对移动,这是太阳没有移动时的光谱,光谱图画咱们十分了解,让它远离咱们发作红移,整个图画向赤色那端移动,假定太阳向咱们移动,一切线向蓝色那端移动,所以将星光用棱镜或摄谱仪色散,就能够丈量天体移动的方向和速度,其实十分十分简略。

      我说过地理学家1960年代发现了X射线双星,这是开端的恒星等级黑洞的壮丽观测,发作在天鹅座X-1的X射线双星,叫天鹅座X-1是由于天鹅座的亮堂伴星,X代表X射线,是第一个X射线源,丈量看不到黑洞自身,但能够看到黑洞绕伴星旋转的引力效应。伴星的运动有细微的摇摆,由于两个天体绕相同的质心旋转,这儿伴星的周期是5.6天,小于一周,能够算出漆黑的看不见的那颗伴星有10倍太阳质量,那很可能是黑洞,但这不是我想在这个讲演中评论的黑洞。

      我想评论超大质量黑洞,不是10倍太阳质量,而是100万倍、100亿倍太阳质量,他们是坐落大星系中心的天体。这个很漂亮的星系叫草帽星系,坐落南半球,Sombrero在西班牙语中是帽子的意思,这是一顶墨西哥草帽,这个“墨西哥草帽星系”,正好有一个10亿太阳质量的黑洞,科学家最初怎样想到超大质量黑洞这个古怪概念的?这是一个很不天然的主意,其实这个理论现已50年了。

      早在1960年代初期,当地理学家发现一类叫类星体的天体时,人们想到的解说类星体能量源的仅有办法是,物质被吸积到一个十分重的天体上,人们估测这个天体可能是超大质量黑洞。不只是是类星体,地理学家在1960年代还发现了一种令人惊讶的天体-射电星系,这是十分壮丽的天体。

      咱们现在看到的是无线电波段的辐射,它十分巨大,从一端到另一端大约1百万光年,这些辐射是高速高能粒子发作的,这些粒子是星系中心的某种奥秘天体喷发出的,速度挨近光速,这是十分相对论性的喷发,而且持续时刻现已好久。能够看到喷出的气体轨道十分直,所以不管喷发的是什么东西,这个天体都是极安稳的陀螺仪,而且不改动方向,很可能质量极大,看起来十分壮丽。

      还有另一个比如,星系自身在中心,那些是恒星,这些是超快粒子在磁场中发作的无线电波。还有另一个比如,还有一些更一般的星系,不像这些蔚为壮丽的星系,更一般的星系中心也是“活泼”的,乘坐活泼星系核,解说活泼星系核的能量来历的最盛行的理论,也是来自超大黑洞引力势阱内对物质的吸积,凯时娱乐ag旗舰厅登录

      这是怎样发作的呢?当物质落入星系中心时,将物质的引力势能转化为动能,由于冲突,当物质被招引入时彼此冲突,就像你搓弄双手相同,会发作热量,不同的就是这种冲突以挨近光速在所谓的吸积盘内进行,这个进程发作巨大的能量。咱们经过光学波段、无线波段、X射线波段和伽马波段能够看到,这就是1960年代现已树立的理论。

      怎样找到这些天体呢,下面我一步步叙述地理学家怎样经过观测断定超大质量黑洞的存在。从银河系开端,武教授现已展现过这张银河系的动画图,这是在银河系上方向下看时的视图。咱们现已知道咱们地点的太阳系在银河系的外围,现实上由于咱们在这样一个很不便利的方位,想要看到星系中心其实十分费事,视野简直被沿途的星际尘土彻底挡住。

      这儿的标准从一端到另一端是10万光年,假定用到红外的更长波长的波段,能够穿透尘土,假定拍一张天空相同方位的红外图画,就像这姿态,好多了,愈加透明晰,假定把中心扩大10万倍,整个图片标准是10万光年,现在扩大到只要中心1光年的标准,运用现在最先进的设备,所谓的红外波段自适应光学仪器,这就是银河系中心的高分辩图画,来自美国和德国的两个团队的地理学家在曩昔的15到20年,耐性肠拍下这些图片,夜复一夜地拍了10年,15年,20年。

      现实上能够看到恒星的运动,由于假定中心有黑洞的话它们应该运动,就像行星绕太阳运动相同,这就是咱们地理学家所做的作业。能够看到中心十分挨近这个漆黑天体的周边区域的恒星,一年年地来回运动,黄色的恒星沿着黄色的椭圆轨道绕中心以2000千米/秒的速度运动,地球绕太阳的速度是33千米/秒,而这儿是2000千米/秒,有一个质量十分十分大的天体在牵引这些恒星绕动,这个天体有4百万个太阳质量那么重,这是咱们现在发现的最令人信服的事例。

      但出了银河系就再也不能这样做这样的观测了,不可能,没办法分辩单个太弱、散布太密布的恒星,现在还没有设备能够分辩单个恒星。相反,咱们运用恒星团的运动,仍是用多普勒效应测速度和方向,经过调查谱线图样的移动,可是需求在十分挨近中心的当地做这种观测,以保证恒星受的引力是被黑洞分配的而不是其他周围的东西,需求知道所谓的黑洞影响球的半径,黑洞影响球根本上就是一个区域,在这儿边恒星的运动受中心天体的引力势的分配,而不受周围大标准环境内的恒星分配。这需求十分高的角分辩率,这项使命由NASA发射的哈勃太空望远镜来完结。

      哈勃望远镜是曩昔20年天体物理的革新之一,现实上哈勃望远镜现已运行了25年,由于在地球大气上方,哈勃有惊人的高分辩成像才能,它收集的图画不受构成恒星闪耀的大气湍流的影响,闪耀的恒星十分浪漫但对科学观测十分糟糕,由于这影响图画分辩率,哈勃在大气之上,所以没有这种问题,所以哈勃一向是发现超大黑洞的重要渠道。

      咱们首要对咱们的街坊仙女座进行观测,这是M31的可见光相片。下面这个小亮点是它的小朋友,叫M32。哈勃太空望远镜经过观测,运用我刚说过的办法,发现仙女座有一个1亿2千万倍太阳质量的黑洞,这比银河系的黑洞重50倍,而它的小朋友M32比银河系的黑洞略微轻一点,有一个250万倍太阳质量的黑洞。

      在银河系外,咱们还观测了室女座星团,室女座星团是间隔最近的大星系团,这是室女座星团里最大的星系,叫M87,以一条壮丽的喷发带知名,几十年来人们都以为这条喷发带是由于超大质量黑洞,咱们用棱镜把光线分化,见证奇观的时刻!这个天体有旋转的盘,以±1000千米/秒的速度进行滚动,滚动速度令人吃惊,有蓝移也有红移,远离你的部分发作红移,朝向你的部分发作蓝移,速度都是1000千米/秒,能够算出中心的质量,有几十亿个太阳质量,而且这个天体是黑的,简直没有光。

      这是M87的朋友M84,另一个巨型椭圆星系,相同的观测发现这个天体也有一个壮丽的喷发带,我以为也是超大质量黑洞引起的,再一次,分化光得到光谱,光谱的一边蓝移一边红移,运动让人意想不到,运动速度惊人,得到的质量大约也是10亿倍太阳质量。咱们一向这样观测,而咱们也一向发现这种天体,现实上经过10年的观测,现在已丈量到大约100个事例,而且这个现象开端变得太普通了。现象都是相同的,一切的大质量星系都有一个奥秘的漆黑天体,而咱们以为是超大质量黑洞,这实际上是第一个重要打破。

      在1960年代,理论物理学为了解说类星体就现已估计到了这些可能性,而咱们现在不止发现了它们,咱们乃至证明它们很常见,每个星系都有。然后下面是实在的惊喜。10年前当咱们把一切数据放在一同,咱们发现假定在y轴画出黑洞的质量,黑洞质量与星系质量有十分严厉的线性关系。右边越重的星系,黑洞的质量越大,重一些的星系有10亿倍太阳质量的黑洞,像银河系这样的星系有400万倍太阳质量的黑洞,它们之间呈份额。作为科学家,发现任何十分共同的线性关系都会十分振奋,由于这表明十分重要,x轴和y轴以某种办法彼此相关。

      现实上让人很吃惊,由于虽然黑洞是“超大质量“,它比较于星系仍是很小的,只要星系质量的千分之一,而星系比黑洞重1000倍,所以星系绝不可能经过引力感知到黑洞,感觉现实上绝不可能这样,但为什么它们有线性关系呢?这一向是曩昔20年地理学界的疑团和令人激动的论题,终究人们评论这件事的一致是这样的,虽然黑洞质量不是很大,但假定天体是活泼的,或许是类星体,乃至有发光、喷发气体等极点行为,必定会对星系构成巨大危害,必定会影响星系的构成,必定会操控星系中恒星的构成速度,很小的黑洞和很大的星系之间必定有某种十分严密的反应,因而呈现了协同进化这个概念。

      这儿要展现的是两个星系的兼并,两个星系开端兼并时,兼并的引力力矩驱动恒星生成所需的气体质料,到两个星系的中心,大部分气体在这儿开端构成恒星,而且为黑洞的构成供给燃料,这使得体系变成类星体并开释惊人的能量,现实上能量大到能够使星系爆破,待会儿能够看到,这将对气体物质构成灾难性影响,进而影响星系演化,开端了,嘣!星系中心会发作爆破,导致恒星中止生成,星系逝世,实际上也构成黑洞中止生长,这就是天然界中,中心很小的黑洞影响整个星系周围演化的机制。

      但这不是简略的计算机动画,实在的数据中也能够看到,能够观测到十分壮丽的无线电喷发损坏周围的环境,用望远镜能够看到构成这些巨大的空泛,因而黑洞中心爆破开释出的能量,操控了大标准的星系环境的演化,这是现在天体物理学家对星系构成的部分观念。

      下面评论另一个相关的问题,假定星系越来越小会发作什么呢,从这个图能够看出假定星系满足小,中心的核球满足小,应该就没有黑洞了,由于星系核球的巨细与黑洞巨细线性相关,是否在必定巨细的星系就不存在黑洞了,这个问题十分十分重要。天然界构成的最小黑洞多大,咱们知道恒星级黑洞是10倍太阳质量,LIGO勘探到30倍太阳质量的黑洞,可是在30倍和4百万倍之间还有巨大的空地,有没有1万倍、10万倍或100万倍太阳质量的黑洞呢?咱们当然也想知道天然界能够构成的最大质量黑洞,它们是多少重量级的,以及黑洞从小到大分别是怎样样的,黑洞种子怎样演化老练成为巨大的超大质量黑洞?

      问理论学者他们会说没问题,这些问题能够解说,解说超大质量黑洞需求用到最大的红移,由于地理学家一向在世界最外围发现大红移的类星体,当世界只要几亿年时现已有十分亮的类星体了,这些类星体需求黑洞质量是10亿、100亿倍太阳质量。在大爆破后的几亿年内,没有时刻生成这么重的怪物,假定它们都从10倍太阳质量开端,那么理论上存在一个很大的问题:种子黑洞是什么?理论物理学家说不必忧虑,计算机能够恣意设定来自恣意大的气体中恣意恒星磕碰发作的恣意黑洞巨细,由于世界前期的条件很特别,不存在金属,因而理论物理学家能够用计算机模仿恣意质量的初代黑洞,但这也不能在未来10年20年内勘探到,现在看不到有望远镜能够观测到这种物体。

      让咱们回到咱们了解的最近邻的星系,先来看看小星系而不是大星系,假定存在小质量黑洞,它们应该在小星系内,运用可获得的最高分辩率的图画,将哈勃太空望远镜的图画扩大,扩大到星系核,然后用相同的办法,将光分化,用来勘探恒星绕中心的快速运动。看看中心有什么?谢天谢地!现在测到的纪录是1万个太阳质量,一些是10万倍太阳质量,还有许多是百万倍太阳质量,这是大约10年内的成果。有时把这些天体称作中等质量黑洞以便和超大质量黑洞区别,不管叫什么,这是现在种子黑洞的最好依据。

      这些种子黑洞生长为驱动类星体的超大质量黑洞。我要给出的定论就是,就像人类,像场内的在做各位,星系也喜爱朋友,也是群居“动物”,由于引力总是将它们拉到一同,比如城市里的人不喜爱日子在深山或荒漠,它们也和人类相同彼此招引。这不是模仿,而是有实在数据,星系会找朋友,就像男朋友找女朋友,女朋友找男朋友,羁绊在一同,然后兼并,假定星系兼并,就像我方才说的,每个星系都有黑洞,星系中心的黑洞也会兼并,对吗?这莫非不是很诱人的现象吗?能否找到这种双黑洞体系?能否找到超大质量黑洞的兼并事情?

      我说的不是LIGO勘探到的哪种,LIGO勘探的是恒星量级的黑洞,上个月Kip Thorne和他的搭档在讲座中评论了30个太阳质量的黑洞兼并事情,而这些是10万、100万乃至十亿倍太阳质量的黑洞,怎样找到它们呢?咱们猜测信号不是LIGO勘探到的那种高频信号,应该是频率十分低的信号,信号周期不是秒的量级,而是年的量级,应该也发作引力波,我以为这个重大打破,在座的各位可能有希望在不久的将来看到,或许5到10年。我当然希望诺贝尔奖评委会也会以为这个发现有价值,这件事将会十分十分激动人心,将会有很丰厚的电磁辐射现象,由于星系有很多的气体,这是我对近期的希望,这就是我今天要共享的内容。

      关于寻觅和发现超大质量黑洞的一切研讨,佐证了科学发现的实质,当然也说明晰作为科学家的含义。我今夜所共享的内容需求几十年的尽力,耐性,立异,恒心和尽力作业,需求用到最新科技的最大的望远镜。

    这是威尔逊山的十分闻名的两米半口径的望远镜,来我国前我在那里作业过,埃德温·哈勃曾用过这个望远镜,向世人提醒除了银河系还有其他星系,提醒了星系之间加快远离的现实,因而存在大爆破。

    这是威尔逊山的十分闻名的两米半口径的望远镜,来我国前我在那里作业过,埃德温·哈勃曾用过这个望远镜,向世人提醒除了银河系还有其他星系,提醒了星系之间加快远离的现实,因而存在大爆破。

    这是建在南加州帕洛玛山的5米口径的望远镜,就是用它在1963年发现了类星体的存在。

    这是建在南加州帕洛玛山的5米口径的望远镜,就是用它在1963年发现了类星体的存在。

     这就是以埃德温·哈勃命名的太空望远镜,用它获得了我方才所说的曩昔20年的一切打破。

    这就是以埃德温·哈勃命名的太空望远镜,用它获得了我方才所说的曩昔20年的一切打破。

    这是夏威夷的10米口径的双胞胎望远镜,科学家用他们耐性肠拍了20年相片来观测天体运动,观测恒星绕银河系的运动来丈量中心黑洞的质量。

    这是夏威夷的10米口径的双胞胎望远镜,科学家用他们耐性肠拍了20年相片来观测天体运动,观测恒星绕银河系的运动来丈量中心黑洞的质量。

      我国今天也是十分重要的一环,我国正在前史的穿插路口,我国现已开展到能够出资根底科学研讨的境地,乃至能够出资像咱们可能说毫无有用的天体物理这种根底研讨,在曾经简直不可能。这种改动就像我个人的人生相同不可能,就像我是何故来到我国,今天下午能够站在咱们面前。

      我50年前生于广东顺德,这是我脱离故土之前,最初离乡也是无可奈何,那时的条件十分困难,正值文革中期,这是咱们村的街坊们,我还记得那时很少有人能够果腹,这是今天之我国,已成为经济大国,很快也会成为科学大国,此生得见如此改变,莫非不令人惊叹吗?你们大多数年轻人或许不了解这些,而这才是你们熟知的上海,你们享用日子,但不知道咱们从哪里走来,这个改变真的天翻地覆。所以我以为咱们,特别是年轻人应该考虑,你们要在将来扮演什么样的人物。

      这个东西真的证明晰我国怎样快速开展,咱们缔造了称作“FAST”的望远镜,500米口径的国际上最大的射电望远镜,去年在贵州竣工。我国是国际上最贵重的地理设备的成员,我国是造价60亿欧元的SKA射电望远镜的成员,它作业在无线电波段,SKA和FAST都将是运用脉冲星计时来勘探黑洞兼并发作的引力波的抢先设备。我国也是30米口径望远镜的成员,这是国际上三个10亿美元或10亿欧元等级的望远镜中的一个,我国参加了10%,作为一个国家,作为这个年代的人,咱们都应该深化考虑,应该怎样好好运用这些可贵的时机,咱们是如此走运,能够进一步深化推动人对世界的认知,对人类在世界中的方位的认知,以及咱们咱们对社会的奉献,感谢给我时机共享我的科学故事,共享科学发现和在我国成为科学家的阅历,十分感谢。

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