新浪科技訊 北京時間12月29日消息，據(jù)國外媒體報道，年復一年，黑洞研究領域一直在為我們提供一些令人震驚，同時又異常費解的發(fā)現(xiàn)。2021年也不例外。在這一年里，科學家們又獲得了許多關于黑洞的新發(fā)現(xiàn)，這些具有巨大引力的神秘天體仍在不斷推進我們對宇宙的理解。

　　旋轉速度最快的黑洞

　　即使是研究最深入的黑洞也會帶來驚喜。今年2月，物理學家們修正了對天鵝座X-1（Cygnus X-1 ）系統(tǒng)中黑洞性質的估計，這也是有史以來第一個被證實存在的黑洞。天鵝座X-1系統(tǒng)的黑洞發(fā)現(xiàn)于近60年前，其質量比之前認為的要大50%，達到太陽質量的21倍。而且，該黑洞的旋轉速度非常接近光速，創(chuàng)下了黑洞旋轉的新紀錄。天鵝座X-1距離地球約7200光年，是一個雙星系統(tǒng)，其另一成員是一顆藍色超巨星變星，正緩慢地被黑洞吞噬。對天鵝座X-1系統(tǒng)為研究人員了解這類過程提供了新的視角。

　　觀測并模擬面條化的恒星

　　當一顆恒星太過靠近黑洞的邊緣時，引力會將它拉扯成長條狀，然后被黑洞吞噬。這個過程稱為“面條化”（spaghettification，又稱“意大利面化”）。當恒星物質因摩擦而升溫時，就會產生光，從而使天文學家得以捕捉到這一壯觀的現(xiàn)象。今年5月，研究人員首次發(fā)現(xiàn)一顆恒星被一個黑洞以這種方式撕碎并吞噬。該黑洞的質量是太陽的3000萬倍，位于一個距離地球7.5億光年的星系中心。除了獲得有關“面條化”過程的重要數(shù)據(jù)外，這些觀測還幫助科學家們構建了恒星被吞噬的場景。

　　LIGO證明了霍金是對的

　　今年6月，激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）的研究人員探測到兩個巨大黑洞合并成一個實體的過程，并分析了黑洞高速向彼此旋轉時產生的時空漣漪——引力波。他們發(fā)現(xiàn)，最終形成的黑洞的表面積比原先兩個黑洞的表面積加起來還要大。這些發(fā)現(xiàn)不僅為天文學家提供了驚人的數(shù)據(jù)，還幫助證明了英國天體物理學家斯蒂芬·霍金于1971年提出的一個猜想——黑洞面積定理。該定理指出，黑洞的表面積永遠不會隨著時間的推移而減少?；艚鹄脨垡蛩固沟膹V義相對論和他自己對熵的理解，推導出了這一定律。盡管新發(fā)現(xiàn)的結果對霍金來說是一個勝利，但卻讓物理學家們頭疼不已。根據(jù)量子力學，黑洞應該能夠收縮和蒸發(fā)，這一點與霍金的定理并不兼容。如何協(xié)調二者的矛盾，物理學家們可能還有很長的路要走。

　　黑洞和中子星的合并

　　今年6月，LIGO團隊的研究人員充滿信心地宣布，他們第一次探測到了黑洞與中子星的合并事件。和黑洞一樣，中子星是大質量恒星演化末期經由引力坍縮發(fā)生超新星爆發(fā)后的潛在結局之一。盡管LIGO之前已經發(fā)現(xiàn)了黑洞-中子星合并的潛在證據(jù)，但直到今年，新探測到的兩個信號才最終證明了這種合并正在發(fā)生。這兩次探測都發(fā)生在2020年1月，大約相隔10天。第一次探測的結果表明，一個約6倍太陽質量的黑洞正在吞噬一顆1.5倍太陽質量的中子星；第二次探測則涉及一個約9倍太陽質量的黑洞和一個兩倍太陽質量的中子星。

　　早期的黑洞會產生“風暴”

　　幾乎每個已知星系的中心都有一個超大質量黑洞，表明這兩個宇宙實體之間存在著緊密的聯(lián)系。然而，科學家們仍然不清楚黑洞是如何影響它的星系宿主的。今年6月公布的研究結果顯示，一個有著130億年歷史的星系——幾乎和宇宙本身一樣古老——正在吹出高速的風。這是目前探測到的最早期星系風的例子；當超大質量黑洞吞噬周圍的氣體和塵埃時，就會噴出星系風。此外，這些星系風以大約180萬公里/小時的速度行進，其移動速度之快，足以推動物質遍布整個星系，并可能吹走星系物質，從而阻礙恒星的形成。這項研究表明，星系和它們中心的黑洞有著古老而緊密的聯(lián)系。

　　光回波證明愛因斯坦是對的

　　史蒂芬·霍金并不是今年唯一在黑洞理論上獲得成功的人。今年7月，天文學家捕捉到一些X射線信號，來自一個名為Zwicky的螺旋星系中心的超大質量黑洞。該星系距離地球約18億光年。研究人員不僅探測到了來自黑洞前部的光，還設法找出了他們最初無法確定的奇怪光回波。這些發(fā)現(xiàn)表明，巨大的黑洞引力使時空結構變得如此之扭曲，以至于光被從黑洞的一邊拉到另一邊。這一過程正是愛因斯坦在廣義相對論中所預言的，但此前還從未被明確探測到。

　　外星人可能利用黑洞的能量

　　只要有相關數(shù)據(jù)的支持，科學家們就不會缺少猜想。今年8月，中國臺灣的一組天文學家提出，技術先進的外星人可能會利用類似戴森球——假想中圍繞恒星的巨型結構——的結構，從黑洞中獲取能量。盡管黑洞通常被認為是黑暗的，但當它們吞噬周圍的物質時，會釋放出巨大的能量，這些能量會使溫度升高，并以光的形式輻射出去。于是，天文學家們提出了一個大膽的猜想：外星智慧生命是否會在黑洞周圍放置一個軌道平臺，上面覆蓋著類似太陽能板的東西，以吸收黑洞輻射出來的能量。由于黑洞比恒星小，因此可以使外星人節(jié)省建筑材料，并使其收集到難以置信的巨大能量。

　　游蕩的黑洞可能會在銀河系“定居”

　　在我們的銀河系外圍，可能潛伏著大約12個巨大的黑洞。這是今年8月一項新的星系碰撞模擬研究得出的結論。在諸如星系碰撞這樣的重大宇宙事件中，引力可能會導致質量為太陽數(shù)百萬或數(shù)十億倍的超大質量黑洞飛出宿主星系，并游蕩到漆黑的宇宙深處。其中一些黑洞可能會最終定居在銀河系等星系的星系暈中。據(jù)估計，一個銀河系大小的星系平均擁有12個這樣的流浪黑洞。下一步，天文學家希望找到方法，對這些迷失的超大質量黑洞進行探測，以了解他們的模擬是否準確。

　　發(fā)現(xiàn)離我們最近的雙黑洞

　　去年12月，研究人員通過望遠鏡捕捉到了距離地球最近的雙黑洞的證據(jù)。這個雙黑洞系統(tǒng)位于水瓶座，距離地球約8900萬光年，彼此圍繞著對方旋轉。先前保持記錄的雙黑洞的距離是這一對黑洞的5倍，這也意味著科學家有機會比之前更詳細地研究這些系統(tǒng)。這兩個黑洞的質量都很大——較大的擁有近1.54億倍太陽質量，較小的則是630萬倍太陽質量。它們以1600光年的距離圍繞彼此運行，在宇宙尺度中，這點距離微不足道。天文學家估計，它們將在2.5億年后合并成一個巨大的黑洞。

　　一個對其星系而言太大的黑洞

　　在一個距離我們約82萬光年的小型星系中，似乎有一個奇怪的存在。獅子座I（Leo I）是一個比銀河系小50倍的矮星系，卻擁有一個大得出奇的黑洞，其質量幾乎與銀河系中心的黑洞相當。如此巨大的黑洞怎么會存在于如此小的星系中呢？天文學家感到十分困惑。美國德克薩斯大學奧斯汀分校的天文學博士研究生María José Bustamante在一份聲明中說：“目前還無法解釋矮橢球星系中的這種黑洞?！边@對黑洞和星系的演化意味著什么？要準確地回答這一問題，天文學家們可能還要再等幾年。

歡迎掃碼聯(lián)系科普老師！

我們將定期推出

公益、免費、優(yōu)惠的科普活動和科普好物！