黑洞对大多数人算了解又生疏,咱们常常在科幻故事中看到它,但咱们却不曾了解它,4月发布的首张黑洞相片大概是大众离实在的黑洞最近的时分。关于科学家来说,黑洞意味着什么?怎样研讨它?它又怎样帮助人来了解世界的前史呢?中国科学院上海地理台副研讨员左文文将和咱们共享《确定119亿光年之外的黑洞》。
左文文讲演视频:
以下为左文文讲演实录:
我是来自中国科学院上海地理台的左文文。
许多时分,当咱们传闻我来自地理台,就会问:气象预报是不是你们做的?我摇摇头,那是咱们对面气象台做的作业。还有人会问:你们是不是常常去看星星?很浪漫。我说有些搭档会常常出去看星星,我倒没有那么新潮,由于我是研讨黑洞的。
黑洞真的存在吗?
答案是:有的。
本年4月10日,地理学家发布了人类捕获的首张黑洞相片。这张相片展现的是间隔咱们5500万光年之外的M87星系中心的超大质量黑洞周围吸积盘或许喷流所发生的光。
在黑洞强引力的效果下,周围的气领会向中心下落;又由于这些气体自身在滚动,所以这些气领会一边转一边下落,慢慢地在黑洞的周围构成一个吸积盘状结构。而那些还没有掉落到黑洞内部的气体,很或许会向外发生喷流。
为什么吸积盘和喷流能发光?咱们可以类比一下水力发电:水从高处落下,引力势能转化成机械能,然后机械能推进机器发电,再转化为电能。黑洞周围的气体在下落的进程中,释放出的引力势能也能转化为光和热。
黑洞的质能转化功率十分高,乃至高于核聚变。假如把太阳核聚变,比方成每往银行存1000块钱,可以得到7元利息;那么黑洞吸积周围物质发光,就相当于存100块钱可以得到十几到40元利息。
所以,有一类黑洞的确可以发光。
现在咱们依据质量,把世界傍边的黑洞分成了三大类:恒星级质量黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。
在银河系中心就有一个超大质量黑洞,它的质量大概是太阳的410万倍。但由于间隔咱们比较悠远(2.6万光年),它对咱们的引力其实微乎其微、可以忽略不计。银河系傍边还有许多恒星级质量黑洞,咱们也在不断探求。
可是我所关怀的黑洞,既非那个M87中心黑洞,也不是银河系中心的黑洞,而是间隔咱们十分悠远的、119亿光年之外的一批黑洞。更精确地说,它们有一个姓名叫做“类星体”。
这张是它们在光学波段的图画。我关怀的类星体是最中心的那个点,它看起来是不是很像一颗恒星?但它不是一颗恒星,也不是一个星系,而是一个活泼星系的中心。简略了解,它也是个黑洞,可是还在活泼地吃着东西,再加上有很强的质能转化功率,所以它能宣布很强的光。
一个典型的类星体,尽管看起来很藐小,可是每秒钟所宣布的光的能量是一个一般星系(比方说银河系)的几千倍。所以别看它小,它的能量很强。
类星体是活动星系核,这张图展现的是活动星系核的一个简化的一致模型——我着重“简化”,由于其间许多细节还在研讨傍边。咱们可以看一下,最中心那个点便是黑洞;黑洞外面还有一圈十分小的环,便是吸积盘。在吸积盘的外围上下方,咱们能看到一些点状或许块状结构,咱们以为是气体云块——你可以了解为是一团团气体在那里。间隔黑洞比较近的那部分气体云块,咱们称作为宽线区。
黑洞周围的吸积盘能发光,它所宣布的高能的光子(比方紫外线、X射线)向外传达,当这些光子抵达气体云块的时分,它可以激起(也叫电离)那里边的气体,然后发生一条条发射线。
拍照光谱,就像将光色散开来,展现在不同波利益的亮度散布。最直接的一个事例是三棱镜可以把太阳光色散成红橙黄绿蓝靛紫。相同,假如对类星体内一个点拍照光谱,可以看到显着的发射线(图左)。一起,发射线之下可以拟合得到一条接连的辐射,叫做接连谱。现在咱们以为,接连谱首要来源于黑洞周围的吸积盘。
质量是黑洞最重要、最要害的性质之一。那么,能否使用该特性估算出黑洞的质量呢?
这个问题尽管很难,但可解——
咱们知道,假如了解地球的运动状况(比方一年环绕太阳公转一圈)以及地球与太阳的间隔(一倍日地间隔),就可以算出来太阳的质量是多少。类星体其实也相同,假如能知道气体云块的运动方法及距黑洞的间隔,就可以估算出黑洞质量。
所以问题就简化成:怎样找到气体运动的运动状况?怎样知道气体云块到黑洞的间隔?
第一个问题比较简略。类星体的谱线不是直直的一根线,而是有一个展宽的散布,这是由于气体云块在环绕着黑洞高速运动。所以反过来,我可以从线的展宽推导出气体的运动方法。
第二个问题就有些难了。间隔那么悠远的黑洞,我怎样知道周围的气体云块到它有多远?
这儿给咱们出现一种直接可是十分明晰的图景。接连谱的亮度首要源自吸积盘,宽发射线源自这些气体云块。所以,我长期地监测吸积盘和气体云块宣布的光,发现二者之间存在具有必定时刻推迟的呼应——就如同吸积盘在操练瑜伽,气体云块也跟着操练。
为什么会有时刻推迟呢?由于光的传达需求时刻。所以,依据推迟的时刻,我就能计算出气体云块到吸积盘(或许说近似地抵达黑洞中心)有多远了。
所以,便可以计算出黑洞的质量了。
这个方案看起来很完美,但问题就在于,必需要长期屡次监测——短则几个月,长则几年,不但本钱太高,并且没有办法去推行到更多的黑洞。
所以咱们就有了别的一种很聪明的做法。在方才的许多发射线傍边,有三条十分具有代表性,分别是CIV线、Mgll线和 Hβ线,分别用小虎、小猪和小熊表明。在接下来的故事中,请咱们幻想它们一向排在一条线;而这儿面的波长数字便是它们的基因代码。
地理学家发现,针对一个小样本,宽线区的尺度和小熊线附近的接连谱强度有联系,因而能从接连谱的强度估测宽线区的尺度。这就意味着,将来不必长期观测,只需对一个类星体拍一次光谱就够了。
这是一种阅历联系,节省了咱们的观测本钱,可以相同让咱们取得大样本的黑洞质量用于后续的统计分析。咱们尽管推行应用了,但一起也在踌躇——这种推行到其他线(如小猪线、山君先)的做法是否靠谱?又怎样去判别?
这儿要提到光。光不仅仅是咱们肉眼看到的可见光,还有其他波段的光,比方红外光。从技能难度和设备的归纳要求来看,在光学波段(波长300~900纳米)拍照光谱的难度要比在近红外波段(波长780~3000纳米)低一些。对应图中,便是拍左面的要比拍右边的简略一些。这也是为什么一开端,那个革命性的阅历联系的发现是在光学波段。关于比较挨近的类星体,三根发射线站成一排,小熊线落入了光学波段。
可是关于一个比较悠远的类星体,三根发射线线站成一排,它们宣布的光的频率在红移。所以,关于间隔咱们110亿光年之外的类星体,或许小熊线就移到了近红外波段,而别的两根线又移到光学波段;而关于更悠远的黑洞(比方说我关怀的119亿光年之外的黑洞),小熊线和小猪线都移到了近红外波段。
所以咱们就想,假如在近红外波段一起取得类星体的这两根线的信息,只需把小猪线和小熊线计算的黑洞质量比一比(默许小熊线是靠谱的),就能判别推行是否牢靠。
后来咱们凭借了TAP方案(获取世界望远镜观测时刻方案),请求拿到了口径为5.1米的Palomar望远镜的观测时刻。咱们专门挑选了一批119亿光年之外的类星体样本,对它们进行了近红外观测,最终得到了一个让同行如释重负的效果——两条线的计算效果还挺挨近。这就表明晰咱们从前迫于无法,把小熊线的效果推行到小猪线的做法是可行的。
帕洛马山地理台(Palomar Observatory)|Wikimedia Commons
那推行到山君线,还靠谱吗?这是咱们接下来要研讨的课题。别的咱们发现山君线很特别,它的体型不是很对称,而这种不对称性恰恰或许反映了类星体向外发生外流或许喷流的原因。
所以归纳这三条线,咱们可以更全面地去研讨黑洞。
从一开端仅仅猎奇去研讨类星体,到常常和它们打交道,我关于为什么要研讨黑洞——特别是为什么要研讨类星体有了更多的了解。
首要,黑洞看起来很奥秘、很悠远,可是以类星体为例,会发现它的确是很亮的。它可以算得上是世界傍边的灯塔,使我可以看到很悠远的类星体。悠远就意味着陈旧,挨近就意味着它或许年青,这就如同我去研讨一个人群,有小婴儿、儿童、少年、青年、中年和晚年,我可以研讨人的一辈子。假如能看到类星体从儿童一向到年迈的姿态,有助于我去研讨它们的生长。
此外咱们发现,简直每个有着核球结构的星系中心都有一个超大质量黑洞。并且比较附近的星系黑洞质量越大,它地点的星系的核球质量也越大。或许意味着,黑洞跟很巨大的星系有着一起演化的前史。咱们自己就生活在一个有着核球结构的银河系傍边,我想关于这个问题的探求,还得依托和黑洞相关的研讨。
纵观科学研讨,我去研讨119亿光年之外的黑洞,看到的是它在119亿年前发过来的光,所以就像考古,又很像侦察——我企图去从十分有限的光的信息傍边,去抽取黑洞的运动信息、间隔信息,再结合物理和数学去计算它的质量信息;又很像经济学家——既可以用有限的条件去满意需求,也可以考虑更好观测条件下可以做的更正和拓宽。
地理学自身也有许多有意思的故事。比方,“咱们都是来自星星的孩子”这句话一点都没有错,由于咱们身上的许多元素便是来自恒星的演化;恒星在主序阶段(比方说现在的太阳)上演着平衡之歌,叙述了太阳周围物质的引力和太阳向外的气体压、辐射压之间的平衡;世界中有许多的不同形状的星系,能告知咱们它们从前阅历了什么,未来又会有怎样的命运。这都是地理学常识自身或许探求进程自身能告知咱们的。
讲演嘉宾左文文:《确定119亿光年之外的黑洞》
每逢我想到这些的时分,就会很好玩,自己独乐乐真的很不行。所以在结业之后,我挑选了一条可以众乐乐的路子——科研和科普偏重的路。这条路,我的同行很少有人走这条路,有时分我自己也会纠结。
关怀我的朋友告知我,你步入科普的门道太早,其实可以迟点——由于明显先在科研方面做出很好的效果,然后做科普才更有服气力。人的精力是有限的,花太多时刻在科普上,科研必定就会被耽搁。
在科普的进程傍边,我也会有些疑问。比方说讲黑洞,假如讲得太深,咱们会说听不懂;可是假如讲得太简单,咱们会觉得没有水平,由于在书上网上都能找到。
这些都是我在做科普作业时遇到的一些困难。
其实,今日来到“我是科学家”的舞台,说实话也有点忐忑。由于,从前登上这个讲台的有我敬重的叶叔华院士、张双南教师等等,他们都是科研大牛,我自己最多是个科研作业者。可是我挑选了这条路,期望让地理科学的魅力为更多人所知。
由于我想说,即使是微微光,咱们也应该用实际行动去饯别科普。
所以我在业余时刻,组织了上海地理台的许多科研人员进入中小学,送去地理的科普课程。咱们也规划了一些科普展览,并且每年辅导120个优异的高中学生去做地理科创作业,助他们在科学研讨的道路上走得更好。
还有个好消息:由上海地理台出品的“探求地理”系列课程,还有针对小朋友的地理动画片也行将在网上出品,并且是免费的,要感谢上海市科委的支撑。
之所以推出免费的网上课程,也是为了促进教育公正。由于或许咱们没有办法走到许多当地,可是经过网络和新媒体,咱们做的这些作业可以被更多有科学愿望可是不见得有条件的小朋友看到。我自己就来自于一个很一般的小城镇,小时分简直没有听过什么科普陈述,可是命运比较好,接受了还不错的教育,一向走到现在。所以我就一向有一个小小的愿望,期望可以促进一点点教育公正。
最终我想说,既要仰视星空,也要兢兢业业。不论是科学家、科研作业者仍是科普作业者,每个人每天要处理的作业都是比较细节的。可是只需咱们有一个愿望的方向,就必定能做好。我很幸亏自己挑选了地理成为自己的工作,挑选了类星体的研讨成为自己的研讨范畴,我也期望,每个人心里边都会有一个尽管很细小可是在尽力发光的类星体作为朋友。
心有类星体,心胸世界,人生大不同。谢谢咱们。
讲演嘉宾左文文:《确定119亿光年之外的黑洞》
作者:左文文
修改:麦芽杨、凝音
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