我們怎麼知道黑洞是黑洞?

玄門知識點


航空航天專業的同學來嘗試回答一下這個問題。

這個問題很重要,宇宙那麼大,我們在給黑洞拍照之前,肯定知道哪裡會有一個黑洞,不然“相機”就不知道要對著哪裡了。但是我們一開始怎麼會知道某個地方就是有一個黑洞呢?

一般來說,我們在給黑洞拍照之前會有兩個方法來判斷一個黑洞的存在。

第一個方法就是根據天體的運動。

要知道,我們可以根據對天空的觀察,瞭解宇宙中一些恆星、星雲的運動規律,特別是當我們看到這些恆星、星雲的運動有一定的週期性的時候我們就可以知道這些天體可能在圍繞某一個物體旋轉。【比如說下圖就是天文望遠鏡拍到的雙星運動系統】

而通過旋轉的週期、半徑我們就很容易推測出中心天體的質量,這個質量如果足夠大,特別是當我們用光學手段看不到這顆中心的時候,我們就可以推測,這裡就是一顆黑洞了。

事實上,科學上有個概念叫做錢德拉塞卡極限,意思就是當我們計算出某個天體的質量超過1.4倍的太陽質量的時候,這個天體最後就可能演變成一顆黑洞,而如果我們剛好還看不到這個天體,那麼就可以預計這裡是一顆黑洞了。

第二個則是根據X射線的觀測結果。

當一些恆星或者星雲非常靠近黑洞的時候,會有很多的星際物質被黑洞吸入,或者這些物質會圍繞黑洞開始進行高速的運動——也就是所謂的吸積盤。

而在物體被吸入到黑洞的那一瞬間,或者在吸積盤中高速運動的時候,這些物質會互相之間發生劇烈的作用,從而釋放出劇烈的X射線,因此當我們通過X射線觀察天空的時候,那些異常閃耀的點就有可能是黑洞了。

如下圖所示,就是NASA公佈的X射線拍到的星空圖,可以看到其中的亮點就很有可能是一顆大黑洞。

而現在,我們能夠拍攝黑洞的照片了,又多了一種確認黑洞的手段。

比如說我們可以看到由於黑洞自轉產生的黑洞周圍亮度不均勻的現象。【如下圖所示】

比如說我們未來還有可能看到黑洞引力場對宇宙背景的扭曲,也就是所謂的“引力透鏡現象”【如下圖所示,就是科學家模擬出來的引力透鏡】。

這些奇特的現象都是源自於黑洞龐大質量對周圍空間引力的扭曲作用,所以如果我們可以通過拍照的方式確認這些現象,那麼我們就可以更加確認那是一顆黑洞。


SilentTurbine


黑洞不可直接觀測,這個很多人都知道,可我們怎麼知道黑洞就在那個地方存在呢?其實,這些是需要通過黑洞對其周邊的天體產生萬有引力的影響而推測出來的。

雖然現在太陽系僅有八大行星,但是在很早之前的教科書的印象中,太陽系原本是有十大行星的,只是後來將哈雷彗星跟冥王星給踢出了行列而已。實際上,在曾經這所謂的十大行星中,冥王星跟海王星都是通過數學的預測,算出來,而不是通過望遠鏡來發現的。我為什麼要提這個通過數學計算預測出的冥王星與海王星呢?其實我想表明的一點就是,所有的天體的運行其實都是依靠著萬有引力互相影響的,由於八大行星中的海王星跟天王星的運行軌跡出現了些許的數據偏差,所以當時的天文學家才預言在天王星與海王星之外還會在有其他大星體的存在。那麼黑洞呢?其實也是使用類似的方法來計算預言的。

黑洞的質量至少可達太陽質量的八倍甚至是百萬級別的倍數以上,所以其能改變其天體運行軌道的能力更強,更容易容易通過其他受影響的天體來計算出其所在的位置。

因為目前除了暗物質暗能量外,僅有黑洞是強大而不可視的,所以當很多的天體的運行是被一塊看起空曠而如同幽靈般的區域所幹擾影響的時候,那麼基本就可以確定,那塊區域就是黑洞的所在。


民科小才女


主要根據質量判斷,運氣好也能觀察到一些明顯由黑洞引發的效應及現象。

在宇宙空間中,質量決定一切。天體的質量決定了它的引力場影響的範圍,即使不利用廣義相對論,就憑牛頓力學闡述的天體運動規律,也能判斷出哪裡可能存在看不見的黑洞。

在星系中超過一半的恆星都不是孤立,而是與其它恆星組成多星系統,多顆恆星圍繞它們共同的質心運行。

恆星在誕生時的初始質量是不一樣的,恆星壽命跟質量有直接的關係,質量越大的恆星,壽命越短,反之越長。

在這種聯星或者多星的組合中,質量較大的恆星會先走完主序階段,演化為一箇中子星或黑洞,而另一顆質量較低的恆星卻還有幾億年甚至幾十億年的壽命。

我們假設大質量恆星已經演化為黑洞,此時我們能觀測到一個現象,如果它們之間距離較遠,就會看到一顆恆星在與一個看不見的天體圍著某一點在旋轉,通過觀測並計算這個恆星的軌道,就能計算出陪伴它旋轉的看不見的天體的質量,更進一步還能間接估計出該天體的半徑和密度。如果這個天體的質量超過3到20倍太陽質量,就可以判斷這個看不見的天體極有可能是一個恆星質量黑洞。

如果它們之間距離很近,此時可能會觀察到另一種情況:在主序恆星旁邊會發現一個不發射可見光的X射線源,可以判斷這個看不見的X射線源很可能是一個黑洞;如果它們的距離更加接近,這個黑洞就會不斷竊取伴星的物質,並形成一個吸積盤,並且黑洞會輻射出更強的X射線,此時黑洞已經很明顯了。

即使黑洞是孤立的,也有辦法判斷。比如直接尋找微透鏡效應,也可以通過連續觀測,對搜尋區域的恆星光度變化進行長期觀測,也能找到因黑洞的引力透鏡效應造成的背景恆星光變曲線的微小變化。這種方法不僅可以判斷恆星前方是否有黑洞,還能判斷它是否擁有行星。

總之,黑洞雖然可能在可見光波段觀察不到,但它可能會輻射x射線,或與周圍天體產生相互作用,不論是引力相互作用,還是物質抽取,都可以讓我們通過這些蛛絲馬跡判斷出是否存在黑洞。

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如果認為此回答有意義,關注我,加強交流,共同提高,謝謝。


心繫宇宙天地寬


黑洞不好觀察,但是當你觀察到有光扭曲了,或有天體再被吞食,嗯,你就發現小黑洞了,大黑洞你就更容易看出來了


暖心向陽224171473


怎麼會不知道呢?黑洞它黑啊!😂


111清風明月


黑洞是觀測不道的,通過其它手段觀測萬有引力的引力數值,光線是否被吸引等等介結來發現黑洞。


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