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(kāi)始收縮，要由宇宙的平均質(zhì)量密度決定。已觀(guān)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(xué)家認為尚有90%以上的物質(zhì)沒(méi)有被觀(guān)測到。這些任何光學(xué)儀器無(wú)法觀(guān)測的“暗物質(zhì)“被李政道認為是當代科學(xué)的四大難題之一。

　　在今年1月舉行的美國天文學(xué)會(huì )第195次會(huì )議上，印第安納州圣母大學(xué)的本內宣布：天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現了兩個(gè)在銀河系漂游的具有恒星質(zhì)量的孤立黑洞。

　　本內說(shuō)：“這一發(fā)現顯示，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時(shí)都演化成黑洞而不是中子星“。它們可能就是我們長(cháng)期尋找的銀河系中”暗物質(zhì)“的一部分。這一發(fā)現顯示，恒星質(zhì)量黑洞的產(chǎn)生，不一定像傳統的恒星理論認為的那樣，需要一個(gè)雙星系統的某種相互作用，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(guān)測到的，只能通過(guò)間接的方法來(lái)認證。過(guò)去天文學(xué)家發(fā)現的恒星質(zhì)量的黑洞都是圍繞正常的恒星運動(dòng)，它的存在是通過(guò)對其伴星產(chǎn)生的效應來(lái)確定的。而這兩個(gè)孤立的黑洞則是使用微透鏡探測技術(shù)，結合哈勃太空望遠鏡超凡的分辨能力，直接通過(guò)觀(guān)察由它們極大的引力而引起的距離更遠的恒星的光線(xiàn)彎曲發(fā)現的。

　　根據廣義相對論原理，光線(xiàn)在引力場(chǎng)中會(huì )發(fā)生彎曲現象。當一個(gè)大質(zhì)量的物體從遠處背景的恒星前經(jīng)過(guò)時(shí)，恒星的光線(xiàn)會(huì )發(fā)生彎曲，形成兩個(gè)分離的恒星影像。不過(guò)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(wú)法觀(guān)察到的。但這種彎曲作用就像一個(gè)強大的凸透鏡，將光線(xiàn)會(huì )聚，使恒星影像變亮。這種被為引力微透鏡事件的現象，就是微透鏡探測技術(shù)的原理。

　　天文學(xué)家對銀河系中心進(jìn)行了觀(guān)測，那里恒星非常密集，增加了發(fā)現引力微透鏡事件的機會(huì )。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)現了這種現象，另外直徑為0.9米和1.9米的兩臺望遠鏡也隨即對其進(jìn)行了更精確的觀(guān)測。這兩個(gè)事件持續的時(shí)間是罕見(jiàn)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(guò)仔細分析可知，每一個(gè)起透鏡作用的物體的質(zhì)量約是太陽(yáng)的6倍。如果假設它們是這個(gè)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(gè)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(jìn)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(wú)法將它們分開(kāi)。同時(shí)哈勃望遠鏡還進(jìn)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(xué)家通過(guò)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(jìn)一步確認。

　　目前在銀河系中心方向已經(jīng)發(fā)現了300多個(gè)被認為是引力微透鏡現象的事例。持續時(shí)間較長(cháng)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(guò)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域，在不同時(shí)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(xué)家認為這是由于一個(gè)不可見(jiàn)的巨大物體，即一個(gè)6倍于太陽(yáng)質(zhì)量、在星際間漂浮的孤立黑洞，從恒星前經(jīng)過(guò)而引起的。

　　哈勃拍攝的照片：因為被觀(guān)測的星場(chǎng)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（圓圈內的另外兩顆亮星）混在了一起，地面望遠鏡無(wú)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域，通過(guò)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(shí)亮度。

　相關(guān)推薦：

　　高考物理知識點(diǎn)匯總

最新高考資訊、高考政策、考前準備、志愿填報、錄取分數線(xiàn)等

高考時(shí)間線(xiàn)的全部重要節點(diǎn)

盡在"高考網(wǎng)"微信公眾號