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人類在宜居行星探索之路上的奮鬥歷程——黑洞之謎

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2022年10月23日 -
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早期的黑洞可能孕育了它們質量更大的表親
新黑洞的發現的藝術家印象:它是通過探測引力透鏡伽瑪射線暴發現的。 資料來源:卡爾·諾克斯、奧茲格拉夫
去年，科學家們首次利用引力波探測到一個難以捉摸的中等質量黑洞。 現在，澳大利亞的天文學家又發現了另一種現象——這次是利用伽馬射線爆發。 
黑洞形成於巨恒星生命結束並在自身引力下坍塌的時候。 但並不都一樣——恒星質量的黑洞很小，只有我們的太陽質量的幾倍，而位於星系中心的超大質量黑洞則非常巨大，質量是太陽的數百萬甚至數十億倍。 
中等質量的黑洞是這兩個種群之間缺失的一環，跨度在太陽質量的100到10萬倍之間。 2020年發現的黑洞是142倍太陽質量，而新發現的黑洞大約是55000倍太陽質量。 
發表在《自然天文學》雜志上的該項研究描述了伽馬射線暴探測黑洞的過程。 伽馬射線暴是兩顆遙遠恒星相撞時發出的高能閃光粒子。 但研究人員觀測到的不是一次而是兩次這樣的爆炸到達了他們的探測器，因為信號是在碰撞和地球之間的某個地方被一個大質量物體引力透鏡反射。 這個物體——黑洞——扭曲了時空，產生了同一事件的多個鏡像。 
這一發現可以幫助天文學家理解超大質量黑洞是如何形成和發展成現在這樣大的（這使得它與其他黑洞區別開）。 
“這個新發現的黑洞可能是一個古老的遺跡——一個原始的黑洞——在第一批恒星和星系形成之前的早期宇宙中創造的，”來自莫納什大學的研究合著者埃裏克·瑟蘭解釋說。 
“這些早期的黑洞可能是今天生活在星系中心的超大質量黑洞形成時期/之前的種子。 ”
該研究估計，僅在銀河系附近就有大約46000個這種質量的黑洞。 
注：金發姑娘原則對黑洞的產生僅僅在於未來黑洞會產生另一種天體的期待，未必宜居、未必有生命資源，對於古老遺跡的進化論，黑洞扭轉時空的理論等有待驗證，人類生命的進化與宇宙進化的關系，未來天文學將努力填補這個空白，僅是天文學還不夠，關於生命的起源，正如生命的繁衍一般複雜。 這個黑洞的發現不禁讓人感慨：世間一個生命消逝，天空同時有一顆星星隕落，古老的天體遺跡向地球這顆年輕的天體昭示了一個信息，時間是相對的，人的生命也是。 
相關知識
黑洞（英語：black hole）是時空展現出極端強大的引力，以致於所有粒子、甚至光這樣的電磁輻射都不能逃逸的區域。 廣義相對論預測，足夠緊密的質量可以扭曲時空，形成黑洞；不可能從該區域逃離的邊界稱為事件視界（英語：event horizon）。 雖然，事件視界對穿越它的物體的命運和情況有巨大影響，但對該地區的觀測似乎未能探測到任何特征。 在許多方面，黑洞就像一個理想的黑體，它不反光。 此外，彎曲時空中的量子場論預測，事件視界發出的霍金輻射，如同黑體的光譜一樣，可以用來測量與質量反比的溫度。 在恒星質量的黑洞，這種溫度往往在數十億分之一K，因此基本上無法觀測。 
最早在18世紀，約翰·米歇爾和皮耶-西蒙·拉普拉斯就考慮過引力場強大到光線都無法逃逸的物體。 1916年，卡爾·史瓦西發現了第一個能用來表征黑洞的廣義相對論精確解（也就是史瓦西黑洞），然而大衛·芬克爾斯坦在1958年才首次發表史瓦西解做為一個無法逃脫空間區域的解釋。 長期以來，黑洞一直被認為僅僅來自數學上的好奇。 在20世紀60年代，理論工作顯示這是廣義相對論的一般預測。 約瑟琳·貝爾·伯奈爾在1967年發現中子星，激發了人們引力坍縮形成的致密天體可能是天體物理中的實體的興趣。 
預期恒星質量的黑洞會在恒星的生命周期結束的坍塌時形成。 黑洞形成後，它可以經由吸收周邊的物質來繼續生長。 通過吸收其它恒星並與其它黑洞合並，可能形成數百萬太陽質量（M☉）的超大質量黑洞。 人們一致認為，大多數星系的中心都存在著超大質量黑洞。 
黑洞的存在可以通過它與其它物質和電磁輻射（如可見光）的相互作用推斷出來。 落在黑洞上的物質會因為摩擦加熱而在外圍形成吸積盤，成為宇宙中最亮的一些天體。 如果有其它恒星圍繞著黑洞運行，它們的軌道可以用來確定黑洞的質量和位置。 這種觀測可以排除其它可能的天體，例如中子星。 經由這種方法，天文學家在許多聯星系統確認了黑洞候選者，並確定銀河系核心被稱為人馬座A*的電波源包含一個超大質量黑洞，其質量大約是430萬太陽質量。 
在2016年2月11日，LIGO科學合作組和Virgo合作組宣布第一次直接觀測到引力波，這也代表第一次觀測到黑洞合並。 迄2018年12月，已經觀測到11件引力波事件，其中10件是源自黑洞合並，只有1件是中子星碰撞。 在2019年4月10日，首次發布了黑洞及其附近的第一張影像：使用事件視界望遠鏡在2017年拍攝到M87星系中心的超大質量黑洞。 
BY: cosmosmagazine
FY: 逆光
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早期的黑洞可能孕育了它們質量更大的表親

新黑洞的發現的藝術家印象:它是通過探測引力透鏡伽瑪射線暴發現的。資料來源:卡爾·諾克斯、奧茲格拉夫

去年，科學家們首次利用引力波探測到一個難以捉摸的中等質量黑洞。現在，澳大利亞的天文學家又發現了另一種現象——這次是利用伽馬射線爆發。

黑洞形成於巨恒星生命結束並在自身引力下坍塌的時候。但並不都一樣——恒星質量的黑洞很小，只有我們的太陽質量的幾倍，而位於星系中心的超大質量黑洞則非常巨大，質量是太陽的數百萬甚至數十億倍。

中等質量的黑洞是這兩個種群之間缺失的一環，跨度在太陽質量的100到10萬倍之間。2020年發現的黑洞是142倍太陽質量，而新發現的黑洞大約是55000倍太陽質量。

發表在《自然天文學》雜志上的該項研究描述了伽馬射線暴探測黑洞的過程。伽馬射線暴是兩顆遙遠恒星相撞時發出的高能閃光粒子。但研究人員觀測到的不是一次而是兩次這樣的爆炸到達了他們的探測器，因為信號是在碰撞和地球之間的某個地方被一個大質量物體引力透鏡反射。這個物體——黑洞——扭曲了時空，產生了同一事件的多個鏡像。

這一發現可以幫助天文學家理解超大質量黑洞是如何形成和發展成現在這樣大的（這使得它與其他黑洞區別開）。

“這個新發現的黑洞可能是一個古老的遺跡——一個原始的黑洞——在第一批恒星和星系形成之前的早期宇宙中創造的，”來自莫納什大學的研究合著者埃裏克·瑟蘭解釋說。

“這些早期的黑洞可能是今天生活在星系中心的超大質量黑洞形成時期/之前的種子。”

該研究估計，僅在銀河系附近就有大約46000個這種質量的黑洞。

注：金發姑娘原則對黑洞的產生僅僅在於未來黑洞會產生另一種天體的期待，未必宜居、未必有生命資源，對於古老遺跡的進化論，黑洞扭轉時空的理論等有待驗證，人類生命的進化與宇宙進化的關系，未來天文學將努力填補這個空白，僅是天文學還不夠，關於生命的起源，正如生命的繁衍一般複雜。這個黑洞的發現不禁讓人感慨：世間一個生命消逝，天空同時有一顆星星隕落，古老的天體遺跡向地球這顆年輕的天體昭示了一個信息，時間是相對的，人的生命也是。

相關知識

黑洞（英語：black hole）是時空展現出極端強大的引力，以致於所有粒子、甚至光這樣的電磁輻射都不能逃逸的區域<6>。廣義相對論預測，足夠緊密的質量可以扭曲時空，形成黑洞<7><8>；不可能從該區域逃離的邊界稱為事件視界（英語：event horizon）。雖然，事件視界對穿越它的物體的命運和情況有巨大影響，但對該地區的觀測似乎未能探測到任何特征<9>。在許多方面，黑洞就像一個理想的黑體，它不反光<10><11>。此外，彎曲時空中的量子場論預測，事件視界發出的霍金輻射，如同黑體的光譜一樣，可以用來測量與質量反比的溫度。在恒星質量的黑洞，這種溫度往往在數十億分之一K，因此基本上無法觀測。

最早在18世紀，約翰·米歇爾和皮耶-西蒙·拉普拉斯就考慮過引力場強大到光線都無法逃逸的物體<12>。1916年，卡爾·史瓦西發現了第一個能用來表征黑洞的廣義相對論精確解（也就是史瓦西黑洞），然而大衛·芬克爾斯坦在1958年才首次發表史瓦西解做為一個無法逃脫空間區域的解釋。長期以來，黑洞一直被認為僅僅來自數學上的好奇。在20世紀60年代，理論工作顯示這是廣義相對論的一般預測。約瑟琳·貝爾·伯奈爾在1967年發現中子星，激發了人們引力坍縮形成的致密天體可能是天體物理中的實體的興趣。

預期恒星質量的黑洞會在恒星的生命周期結束的坍塌時形成。黑洞形成後，它可以經由吸收周邊的物質來繼續生長。通過吸收其它恒星並與其它黑洞合並，可能形成數百萬太陽質量（M☉）的超大質量黑洞。人們一致認為，大多數星系的中心都存在著超大質量黑洞。

黑洞的存在可以通過它與其它物質和電磁輻射（如可見光）的相互作用推斷出來。落在黑洞上的物質會因為摩擦加熱而在外圍形成吸積盤，成為宇宙中最亮的一些天體。如果有其它恒星圍繞著黑洞運行，它們的軌道可以用來確定黑洞的質量和位置。這種觀測可以排除其它可能的天體，例如中子星。經由這種方法，天文學家在許多聯星系統確認了黑洞候選者，並確定銀河系核心被稱為人馬座A*的電波源包含一個超大質量黑洞，其質量大約是430萬太陽質量。

在2016年2月11日，LIGO科學合作組和Virgo合作組宣布第一次直接觀測到引力波，這也代表第一次觀測到黑洞合並<13>。迄2018年12月，已經觀測到11件引力波事件，其中10件是源自黑洞合並，只有1件是中子星碰撞<14><15>。在2019年4月10日，首次發布了黑洞及其附近的第一張影像：使用事件視界望遠鏡在2017年拍攝到M87星系中心的超大質量黑洞<3><16><17>。

BY: cosmosmagazine

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