太空 · 文章
黑洞解析：它们如何形成以及天文学家如何探测它们
发布:
图片: Event Horizon Telescope , uploader cropped and converted TIF to JPG · CC BY 4.0 · Wikimedia Commons要点
黑洞是一个时空区域，其中重力强大到使得任何东西，甚至光，一旦穿过事件视界就无法逃逸。天文学家无法直接看到黑洞，因此他们通过对附近物质、光和时空的影响来推断其存在——通过吸积盘、围绕的恒星和称为引力波的涟漪。两个里程碑式的观测——2015年的LIGO引力波探测和2019年事件视界望远镜对M87的成像——将这个概念从理论转变为直接证据。
此版本是原文（English）的机器翻译。 阅读原文
黑洞以不止一种方式形成，天文学家根据质量而不是单一的起源故事将它们分类为不同的大小级别。
黑洞如何形成
最容易理解的途径是恒星死亡。根据美国宇航局的《想象宇宙》项目，当一颗大质量恒星用尽核燃料且其核心在自身重力下坍缩时，恒星级黑洞就会形成，这个过程可能伴随超新星爆炸。美国宇航局表示，这些恒星级黑洞的质量通常约为太阳的5到20倍，分散在各个星系中，存在于大质量恒星曾经生活和死亡的地方。
在规模的另一端是超大质量黑洞，位于几乎每个大星系的中心，质量范围从太阳质量的数百万倍到数十亿倍，根据美国宇航局。这些巨型黑洞如何形成和增长被美国宇航局描述为一个活跃的研究领域，尽管观测显示星系中心黑洞的大小与星系本身的大小之间存在相关性。
美国宇航局还描述了一个提议的中等质量等级，其质量介于恒星级和超大质量黑洞之间。该机构指出，天文学家直到最近才开始发现中等质量黑洞的可能证据，因为许多早期候选对象被证实可由其他物理过程解释。
天文学家如何探测不发射光的物体
黑洞本身无法被看到，因为它不发射自身的光。美国宇航局的《想象宇宙》页面解释说，天文学家反而依赖间接探测：他们寻找附近物体的行为，这些行为只能由非常巨大、密集、隐形的质量存在来解释。这包括被吸入并加热成发光吸积盘的物质，或明显绕一个看不到任何恒星的点进行轨道运行的恒星。
为这种间接证据成像的一种方式是射电干涉测量。事件视界望远镜（EHT）使用称为甚长基线干涉测量（VLBI）的技术将遍布全球的射电天文台连接起来，物理传播网站Einstein-Online解释说，该技术将来自多个望远镜的同时观测组合成等同于地球大小的单一望远镜的数据。黑洞本身不会直接出现；事件视界望远镜记录的是吸积盘中热的、旋转气体的射电发射，中央有一个暗区——黑洞的"影子"——由光线在极端重力下围绕该物体弯曲而产生。
第一张图像：M87
2019年4月10日，事件视界望远镜协作发布了以这种方式构建的首张图像，显示位于星系M87中心的超大质量黑洞，根据麻省理工学院新闻的报道，距地球约5500万光年。麻省理工学院新闻报告该天体的质量约为太阳的65亿倍，成像的事件视界测量略少于400亿公里。观测活动合并了八个地基射电天文台，涉及全球200多名研究人员。
听黑洞：引力波
另一种探测方法完全不使用光。根据麻省理工学院新闻，2015年9月14日美国东部时间上午5:51，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）进行了对引力波的首次直接探测——爱因斯坦广义相对论预测的时空涟漪。该信号来自两个黑洞合并，每个黑洞的质量约为太阳的30倍，合并地点大约距离我们13亿光年。根据麻省理工学院的报告，碰撞将相当于约三个太阳质量的能量转化为引力波，短暂地辐射的功率超过可见宇宙中所有光的功率。LIGO位于路易斯安那州和华盛顿州的双4公里激光探测器测量的臂长变化小于质子直径的万分之一来记录该信号。
LIGO随后加入了位于意大利的Virgo探测器和日本的KAGRA，形成了LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）协作，加州理工学院报道称该协作自2015年以来已记录约300次黑洞合并，其中仅在第四个观测周期就有超过200次。加州理工学院报道，2023年11月，该协作观测到迄今为止由引力波记录的最大质量黑洞合并，一个事件标记为GW231123，涉及质量约100和140太阳质量的天体合并成约225太阳质量的黑洞。
一览关键事实
黑洞等级及其探测方式| 等级/事件 | 质量（太阳质量） | 探测方法 |
|---|
| 恒星级黑洞 | ～5–20 | 间接：对轨道运行物质/恒星的影响（美国宇航局） |
|---|
| 中等质量（提议） | 美国宇航局未精确定义；很少有确认候选 | 间接，很少有确认候选（美国宇航局） |
|---|
| 超大质量黑洞 | 数百万到数十亿 | 间接；仅对M87*和人马座A*直接成像（美国宇航局/事件视界望远镜） |
|---|
| M87*（首次成像，2019） | ～65亿 | 射电VLBI成像，事件视界望远镜 |
|---|
| GW150914合并（2015） | ～30 + ～30 → 最终黑洞 | 引力波干涉测量，LIGO |
|---|
| GW231123合并（2023） | ～100 + ～140 → ～225最终 | 引力波干涉测量，LIGO-Virgo-KAGRA |
|---|
这些质量如此巨大的黑洞在标准恒星演化模型中是被禁止的。
— 马克·汉纳姆，卡迪夫大学，被加州理工学院引用关于GW231123合并总的来说，这两种方法——用射电干涉测量对黑洞周围的发光物质成像，以及倾听两个黑洞螺旋式靠近的引力波"啁啾"——为天文学家提供了独立的、互补的方式来确认一个天体是黑洞并测量其质量，即使黑洞本身从不发射任何可以直接看到的东西。
常见问题
- 我们能真正看到黑洞吗？
- 不能——黑洞本身不发射光。事件视界望远镜等望远镜记录的是从其周围旋转的热气体（吸积盘）发出的射电，以及黑洞阻挡和弯曲光的暗"影子"，根据Einstein-Online和美国宇航局。
- 黑洞如何形成？
- 根据美国宇航局，恒星级黑洞在一颗大质量恒星用尽燃料且其核心坍缩时形成，有时伴随超新星。美国宇航局表示，星系中心的超大质量黑洞如何形成仍然是一个活跃的研究领域。
- 黑洞的第一张直接图像是什么？
- 2019年4月10日，事件视界望远镜协作发布了距地球约5500万光年的星系M87中超大质量黑洞的图像，根据麻省理工学院新闻的报道，该图像是由八个天文台收集的射电数据构建的。
- 引力波是什么，它们与黑洞的关系是什么？
- 引力波是爱因斯坦广义相对论预测的时空涟漪；LIGO在2015年9月14日进行了首次直接探测，来自两个合并的黑洞，每个质量约30太阳质量，位置约13亿光年之外，根据麻省理工学院新闻。
- 黑洞能有多大？
- 恒星级黑洞通常是太阳质量的5–20倍（美国宇航局），而超大质量黑洞的范围从数百万到数十亿倍太阳质量；2019年成像的M87黑洞的质量约为太阳的65亿倍，根据麻省理工学院新闻。
本文由人工智能撰写，发布前已通过自动来源核查。如发现错误，请申请更正。 申请更正或回应 · 我们如何制作
相关文章
太空文章
卫星之所以能留在轨道上,是因为其前进速度与地球引力达到平衡,而所选择的高度决定了卫星能执行的任务。低轨道提供清晰的图像和短延迟,地球静止轨道提供对某一区域的持续覆盖,中地球轨道则支持全球导航——每种轨道都通过受国际频率系统监管的无线电信号与地面站相连。
太空文章
空间望远镜在地球大气层上方运行，该大气层在光到达地面前阻挡或扭曲了大部分红外线、紫外线和X射线光。通过在该屏障之外运行，哈勃、韦伯、盖亚和钱德拉等观测台各自捕获电磁谱的不同部分，一起构建对恒星、星系和早期宇宙更完整的图像。
太空指南
流星雨最好用肉眼观看，在黑暗的地点，在午夜到黎明之间的几小时内观看效果最佳，此时流星雨的辐射点在天空中升至最高。检查月球月相、让眼睛适应黑暗，以及略微偏离辐射点观看是专家最常重复的步骤。
太空指南
初学者可以在完全没有设备的情况下开始观察夜空：让您的眼睛适应黑暗至少15-20分钟，根据稳定的（不闪烁的）光线学会区分行星和恒星，在购买任何设备之前使用星图或应用程序。根据美国国家航空航天局和EarthSky，双筒望远镜而非望远镜是推荐的首次升级。