看，黑洞打了个饱嗝儿 | 申荣锋——科学讲坛
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“这些黑洞会偶然吞噬一颗恒星，这样突然提供食物和物质给它，就会发光变得很亮，我们就能探测到黑洞的存在。”
申荣锋
中山大学物理与天文学院副教授
我今天跟大家聊聊黑洞是如何吞噬恒星的？我们都听说过黑洞的概念，知道黑洞是不发光的，任何光子也逃不出它的引力束缚范围，黑洞不辐射便不能被看见，如何去证实黑洞的存在？去寻找它在宇宙中什么地方呢？
X射线来自哪里？
这个要追溯到上世纪60、70年代的时候，人类将X射线探测器发射到太空中，X射线就是我们用来照射X光的，是能量特别高的光子。
在那个时候我们发现，太空中有若干个发射很强的X射线的源，X射线来源于什么地方？它不太可能来自一个普通的恒星，因为恒星表面温度不够高。
那就有一个猜测，这可能是一颗双星，其中一个是恒星，另外一个是致密天体。
恒星表面的气体，可能被致密天体的强硬力场拉过来，然后这些气体在致密星周围形成一个盘，气体从这个盘向这个致密星中流动，盘的温度会加热到很高，所以它就有可能会发射很多X射线。
但是这个不能告诉我们致密的天体就是黑洞，因为还有其他种类的致密天体也可以产生这样X射线的发射。
关于这个问题，其中某个X射线源是特别亮的，叫做天鹅座X1。两位著名学家用这个源打了一个赌，还设立了一个赌约，其中一位是毕生研究黑洞的霍金，另一位是前年获得诺贝尔奖的基普索恩。
霍金说，如果天鹅座X1被证实是黑洞他就输了，否则他就赢了。
霍金与赌约
为什么设这样一个赌约呢？这是他做的双保险的策略，“虽然我是研究黑洞的，但是如果证实这个天鹅座X1不是黑洞，我就赢了，至少能够打赢这个赌约”，赌约的赌值就是当时流行的杂志。最后天鹅座X1这个源被确认是一个真正的黑洞。
如何测量及探测黑洞？
怎么知道它是一个真正的黑洞？要看致密天体的质量，这些致密天体是怎么来的？
当恒星死亡时，它的内核塌缩形成致密星，如果要形成黑洞，恒星的质量需要非常大，最终黑洞形成的质量比太阳质量还要大3倍，其他致密天体的数量要小于这个数值。
只要我们能够精确地测量致密天体的质量，就可以知道它是不是黑洞。怎么测呢？
通过测量双星当中可见恒星的运动，这个黄色的圈就是在黑洞周围形成的吸积盘，在光学上，你只能看到这颗大的恒星。通过测量它的速度随着时间的变化，就可以知道这个致密星的质量，最终测量到天鹅座X1这个黑洞的质量是太阳质量的14倍。
这类双星中的黑洞代表的是一类质量级别的黑洞，我们称为“恒星质量级”黑洞。另外，我们知道宇宙中有更大质量级的黑洞，被称为“超大质量黑洞”。它们都处于星系的中心，怎么去探测到它们呢？
这些星系的中心有很多气体存在，这些气体实际上是一种提供给黑洞的食物，如果这些气体往黑洞靠近的话，将以盘旋的形式往中心旋进。
右边的照片就是最近拍到的一个遥远星系的大质量黑洞，这个就是叫M847的星系中心。中间黑色区域就是黑洞造成的阴影，周围环状的就是这些气体盘旋形成的影像。
通过吸积盘观测到黑洞
在我们生活的星系中也有一个超大质量黑洞，通过长年累月观测银河系当中恒星的运动轨迹，我们就可以精确画出这些恒星的运动轨道，然后推算出这个黑洞的位置和质量。
恒星的运动轨道
放眼宇宙，我们几乎可以说每个星系都存在超大质量黑洞，但是每个星系中并不一定存在大量气体，因此大多数星系没有足够的“食物”供应，黑洞就不会发光。
绝大多数星系的黑洞都是处于“冬眠”状态，我们怎么发现这些处于“冬眠”状态的黑洞呢？
潮汐瓦解
吸积气体残骸
第三步：打个饱嗝儿（产生耀发辐射）。
气体在被吞噬掉的过程中会产生很强的电磁波的辐射，在短时间内可以发出很强的光。我们称之为耀发的辐射，就像黑洞吃了食物后会打饱嗝儿一样。
我们探测到这些辐射，就可以知道某一个星系的中心确实存在这样的黑洞。
产生耀发辐射
马丁·里斯
5个代表性事例的亮度变化组成曲线
引力散射
但是气体盘能够调节自己，达到临近相对稳定的状态，这个阶段对应的就是曲线最下面这一段。在这里气体往黑洞里流入的速度要比之前低得多，这就使得盘的亮度变得很低。
这个过程像是我们坐飞机降落一样，在降落之前飞机平稳飞行，但是由于高度下降，大气层变得不稳定，飞机会经历短暂的抖动，飞行员不得不使飞机快速下降。等降到更低区域的时候，大气会变得相对稳定，所以后面的降落过程，就会变得比较稳定和缓慢。
本文经授权转载自《格致论道讲坛》微信公众号
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