黑洞的前世今生

作者|邢崇

审核|周玖

编辑|田坤平

哥白尼,1473年出生于波兰维斯瓦河畔的托伦市的一个富裕家庭。因为年幼时父亲去世,10岁的他由舅舅大主教务卡施抚养长大,并送他到克拉科夫大学学习天文和数学。舅舅是一个人文主义者,从小到大的思想熏陶对哥白尼未来敢于思索、敢于质疑的求实态度影响深远。

相信小伙伴们都被前几日的黑洞大新闻纷纷刷屏了,今天,小星就借着这个机会来和大家聊聊黑洞的前世今生吧~

20世纪以前,世界各地的物理学家大都认为牛顿的经典力学理论似乎已经足够完善,接下来的工作不过是对那些物理常数修修补补罢了。1783年,根据牛顿定律,英国牧师约翰·米歇尔思索道:“会不会存在这样一种大质量的天体,以至于引力强大到连光都无法脱离它的束缚?”于是,有关黑洞的思想第一次浮现在科学家的脑海中,从那过后,类似的猜想不断涌现……

强大的引力使得光经过时发生了偏转(图片来源于网络)

到了1915年,广义相对论的发表将人们带入了一个新世界,从此,时间与空间不再独立,引力则成了那惟妙惟肖的“时空凹陷”。根据广义相对论方程,德国天文学家史瓦西解出了黑洞的第一个版本——史瓦西黑洞,在黑洞的表面,时间和空间似乎停滞了。在史瓦西黑洞仍停留在理论阶段的前后一段时间,白矮星的发现拉开了一场打破陈规的恒星革命,从那以后,科学家们开始意识到伴随恒星的演化,它们竟可以变成黄豆大小就有上吨重的“怪物”!

白矮星艺术图(图片来源于网络)

后来,在一次从印度到英国的航行中,年轻的钱德拉塞卡发现了白矮星的最大质量极限。于是,关于更大质量恒星的命运摆在了科学家面前。没过多久,苏联的物理学家朗道计算出——如果恒星的质量足够大,最终会坍缩为一个点!不过由于这一结论在当时看来过于荒谬,连朗道自己也不相信,取而代之的是“巨大而且致密的原子核”的猜测。在这个原子核中,电子与质子靠的非常近,与中子星的概念比较接近但并不相同。

随着射电天文学的兴起,天文学家的眼前又出现了一条新的道路。在美国物理学会的一次会议上,沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基提出——当一个衰老的大质量恒星核无法再通过热核反应产生能量时,可能会塌缩为一个中子星或黑洞,第一次提出了中子星的概念。但在当时的许多天文学家眼中,这样的想法仍然有些天方夜谭。随后的几十年,科学家们不断争论,也提出了一些黑洞相关的理论及模型。直到20世纪60年代,中子星的发现终于使许多人开始相信,黑洞可能真的存在!

中子星艺术图(图片来源于网络)

20世纪70年代初,基于X射线卫星乌呼鲁的观测数据,科学家们发现了一个非典型射电源——天鹅座X-1,经过了一些天文台的观测后把它暂定为了黑洞。后来通过更为先进的设备验证,这也成了人类发现的首个黑洞。至此,“黑洞”这个在几十年前看来还十分离谱的存在,终于登上了历史的舞台。

黑洞结构示意图(图片来源于网络)

渐渐地,更多科学家们的态度也从否认存在转向了如何研究。得益于近代观测技术与理论的飞速发展,2015年,LIGO(激光干涉引力波天文台)第一次直接探测到了由两个黑洞合并产生的引力波。不仅更加证明了相对论的正确性,黑洞的存在也得到了进一步的肯定。

LIGO的工作原理(图片来源于科学网)

后来……想必已经无需强调,就在2019年的4月10日,人类的第一张黑洞照片公诸于世!从想象到间接观测再到直接成像,这其中经历的故事也绝非一篇分享所能涵盖,相信有了全世界科学家们的齐心协力,黑洞的谜底终有一天会解开!

人类拍到的首张黑洞照片(图片来源于ESO)

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