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24.6：黑洞的证据

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    学习目标

    在本节结束时，您将能够：

    • 描述在寻找和确认存在恒星黑洞时要寻找什么
    • 解释一下黑洞本质上是黑色的，但又可能与发光物质相关联
    • 区分恒星黑洞和星系中心的黑洞

    理论告诉我们黑洞是什么样子。 但是它们真的存在吗？ 那么我们该如何去寻找距离许多光年、只有大约几十千米（如果是恒星黑洞）、完全黑色的东西？ 事实证明，诀窍不是寻找黑洞本身，而是寻找它对附近的同伴恒星的影响。

    正如我们所看到的，当非常大的恒星崩溃时，它们会留下引力影响。 如果双星系统的成员变成了黑洞，而它的同伴设法在这颗巨星死亡后幸存下来，该怎么办？ 虽然黑洞从我们的视野中消失了，但我们也许能够从它对同伴所做的事情中推断出它的存在。

    黑洞的要求

    因此，这里有一个寻找黑洞的处方：首先要寻找一颗其运动（由其光谱线的多普勒偏移决定）表明它是双星系统成员的恒星。 如果两颗恒星都可见，那么两颗恒星都不可能成为黑洞，因此，即使使用我们最灵敏的望远镜，也只能将注意力集中在那对恒星中只有一颗恒星可见的系统上。

    但是，隐身是不够的，因为在聪明同伴的眩光旁边，或者如果它被尘埃笼罩，可能很难看见一颗相对微弱的恒星。 即使恒星真的不可见，它也可能是中子星。 因此，我们还必须有证据证明这颗看不见的恒星的质量太高，不能成为中子星，而且它是一个倒塌的物体，一个非常小的恒星残余物。

    我们可以使用开普勒定律（参见 Orbits and Gravity）和我们对可见恒星的了解来测量对中隐形成员的质量。 如果质量大于大约 3\(M_{\text{Sun}}\)，那么我们很可能会看见（或者更确切地说，看不见）一个黑洞，只要我们能确保该物体确实是一颗倒塌的恒星。

    如果物质落向高重力的紧凑物体，则材料会加速到高速。 在黑洞的事件视野附近，物质正在以接近光速的速度移动。 当原子混乱地向事件视野旋转时，它们会相互摩擦；内部摩擦可以将它们加热到1亿K或更高的温度。 这种热物质以闪烁的X射线的形式发射辐射。 因此，我们处方的最后一部分是寻找与二进制系统相关的X射线来源。 由于X射线不会穿透地球大气层，因此必须在太空中使用X射线望远镜找到这种来源。

    在我们的示例中，产生 X 射线发射的流入气体来自黑洞的同伴恒星。 正如我们在《星之死》中看到的那样，近距离二进制系统中的恒星可以交换质量，尤其是当其中一个成员膨胀成红色巨人时。 假设双星系统中的一颗恒星已经演变为黑洞，而第二颗恒星开始膨胀。 如果两颗恒星相距不太远，那么膨胀恒星的外层可能会达到黑洞对它们施加比大气层所属红巨人内层更大的引力的地步。 然后，外层大气穿过恒星之间的不可逆转点，落向黑洞。

    巨星和黑洞的相互旋转会导致落向黑洞的物质围绕黑洞旋转，而不是直接流入黑洞。 流入的气体在一个叫做吸积盘的物质煎饼中绕着黑洞旋转。 正是在这个圆盘的内部，物质围绕黑洞旋转的速度如此之快，以至于内部摩擦将其加热到发射 X 射线的温度（参见章节缩略图）。

    在双星系统中形成吸积盘的另一种方法是让强大的恒星风来自黑洞的同伴。 这种风是恒星生命中几个阶段的特征。 然后，风中喷出的部分气体将流到离黑洞足够近的地方，从而被黑洞捕获到圆盘中（图\(\PageIndex{1}\)）。

    alt
    图\(\PageIndex{1}\)：二进制黑洞。 这位艺术家的作品展示了一个黑洞和星星（红色）。 当物质从恒星流出时，它会在黑洞周围形成一个圆盘。 一些靠近黑洞的旋转物质在两架狭窄的喷气机中被垂直于圆盘向外推动。

    我们应该指出，正如经常发生的那样，我们一直在讨论的衡量标准并不像入门教科书中描述的那么简单。 在现实生活中，开普勒定律允许我们仅计算二进制系统中两颗恒星的总质量。 我们必须更多地了解这对恒星中的可见恒星及其历史，以确定与二进制星对的距离、可见恒星轨道的真实大小以及两颗恒星的轨道是如何向地球倾斜的，这是我们很少能测量的。 而且中子星也可以有产生 X 射线的吸积盘，因此天文学家在试图确定圆盘中心是什么样的物体时，必须仔细研究这些 X 射线的特性。 尽管如此，现在已经发现了许多明显包含黑洞的系统。

    星状黑洞的发现

    由于 X 射线是黑洞的重要示踪剂，他们有一些恒星同伴共进午餐，因此寻找黑洞必须等待尖端的 X 射线望远镜发射到太空。 这些仪器必须具有精确定位 X 射线源的分辨率，从而使我们能够将它们与双星系统的位置进行匹配。

    第一个被发现的黑洞二进制系统叫做 Cygnus X-1（参见章节缩略图）。 这个二进制系统中的可见恒星是光谱类型 O。对 O 星光谱线的多普勒偏移的测量结果表明，它有一个看不见的同伴。 它闪烁的 X 射线强烈表明同伴是一个倒塌的小物体。 隐形倒塌同伴的质量大约是太阳的15倍。 因此，同伴体积太大，既不能成为白矮星，也不能成为中子星。

    许多其他二进制系统也满足包含黑洞的所有条件。 表中\(\PageIndex{1}\)列出了一些最佳示例的特征。

    表\(\PageIndex{1}\)：双星系统中的一些黑洞候选者
    名称/目录名称 1 同伴星光谱类型 轨道周期（天） 黑洞质量估计 (\(M_{\text{Sun}}\))
    LMC X-1 哦巨人 3.9 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >10.9
    天鹅座 X-1 哦超级巨人 5.6 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >15
    XTE J1819.3-254 (V4641 Sgr) B Giant 2.8 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >6—7
    LMC X-3 B 主序列 1.7 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >7
    4U1543-475（IL Lup） 主序列 1.1 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >9
    GRO J1655-40 (V1033 Sco) F subgiant 2.6 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >7
    GRS 1915+105 K Giant 33.5 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >14
    GS202+1338 (V404 Cyg) K Giant 6.5 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >12
    XTE J1550-564 K Giant 1.5 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >11
    A0620-00（V616 星期一） K 主序列 0.33 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >9—13
    H1705-250（Nova Oph 1977） K 主序列 0.52 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >5—7
    GRS1124-683（Nova Mus 1991） K 主序列 0.43 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >7
    GS2000+25 (QZ Vul) K 主序列 0.35 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >5—10
    GRS1009-45（Nova Vel 1993） K dwarf 0.29 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >8—9
    XTE J1118+480 K dwarf 0.17 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >7
    XTE J1859+226 K dwarf 0.38 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >5.4
    GRO J0422+32 我的小矮人 0.21 \ (M_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >4

    给黑洞喂食

    在一颗孤立的恒星，甚至是双星系统中的一颗恒星变成黑洞之后，它可能无法长得更大。 在我们居住的银河系郊区（参见银河系），恒星和恒星系统相距太远，其他恒星无法为饥饿的黑洞提供 “食物”。 毕竟，物质必须非常接近事件视野，然后重力才能与恒星变成黑洞之前的重力有所不同。

    但是，正如我们将看到的那样，星系的中心区域与其外部区域大不相同。 在这里，恒星和原材料可能非常拥挤在一起，它们之间的相互作用频率要高得多。 因此，星系中心的黑洞可能有更好的机会找到离其事件视野足够近的质量来进入。 黑洞并不特别注重它们 “吃” 什么：它们乐于消耗其他恒星、小行星、气体、尘埃甚至其他黑洞。 （如果两个黑洞合并，你只会得到一个质量更大、事件视野更大的黑洞。）

    结果，拥挤地区的黑洞可能会生长，最终吞噬质量是太阳质量的数千倍甚至数百万倍。 地面观测提供了令人信服的证据，证明我们自己的银河系中心存在一个黑洞，其质量约为太阳质量的400万倍（我们将在银河系一章中进一步讨论这个问题）。 哈勃太空望远镜的观测显示了许多其他星系中心存在黑洞的生动证据。 这些黑洞可能包含超过十亿个太阳质量。 这种超大质量黑洞的狂热喂食可能是宇宙中一些最具活力的现象的原因（参见 Active Galaxies、Quasars 和 Supermassive Black Holes）。 最近的X射线观测证据也开始表明存在 “中等重量” 的黑洞，其质量是太阳质量的几十到数千倍。 我们在《从青春期到晚年的恒星》中描述的球状星团拥挤的内部区域可能是这种中等质量黑洞的正确滋生地。

    在过去的几十年中，已经进行了许多观测，特别是用哈勃太空望远镜和X射线卫星进行的观测，这些观测只有在确实存在黑洞的情况下才能解释。 此外，对爱因斯坦广义相对论的观测测试使即使是最持怀疑态度的科学家也相信，他描绘的扭曲或弯曲时空的画面确实是我们对这些黑洞附近重力影响的最好描述。

    摘要

    恒星质量黑洞的最佳证据来自双星系统，其中（1）两颗恒星中的一颗恒星不可见，（2）闪烁的 X 射线发射是紧凑物体周围有吸积盘的特征，（3）可见恒星的轨道和特征表明其质量隐身同伴大于 3\(M_{\text{Sun}}\)。 已经发现了许多具有这些特征的系统。 在大型星系的中心发现了质量为数百万至数十亿个太阳质量的黑洞。

    脚注

    1 如你所知，没有标准的方法来命名这些候选人。 数字链是源在右上升和偏角（天空的经度和纬度系统）中的位置；数字前面的一些字母表示物体（例如 LMC）和星座（例如天鹅座），而其他字母指发现候选人的卫星代表爱丽儿，G 代表 Ginga，依此类推。 括号中的符号是研究双星系统或新星的天文学家使用的符号。

    词汇表

    吸积盘
    在二进制系统中发现的围绕新生恒星运行的气体和尘埃盘，以及紧凑的恒星残余物，例如白矮星、中子星和黑洞，并且离二进制同伴足够近以吸收物质