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黑洞为什么能取得2020年诺贝尔奖?它是怎样被证明的?

2020年度诺贝尔物理学奖颁布给了三位对证明黑洞存在做出杰出贡献的科学家,其间一位是在纯理论上证明晰黑洞的存在,他便是与霍金一同证明过奇性定理的英国物理学家罗杰·彭罗斯。其他两位则是在观测中发现银河系…

2020年度诺贝尔物理学奖颁布给了三位对证明黑洞存在做出杰出贡献的科学家,其间一位是在纯理论上证明晰黑洞的存在,他便是与霍金一同证明过奇性定理的英国物理学家罗杰·彭罗斯。其他两位则是在观测中发现银河系中心存在超大质量不行见天体的地理学家莱因哈德·根策尔和安德莉娅·盖兹。

这可谓是理论与观测齐飞。而作为广义相对论最难证明的预言之一,黑洞的身份算是被正式供认了,尽管在颁奖理由中,对银河系中心天体并没有运用“黑洞”这个称号,而是运用“超大质量的细密天体”这种描绘,但在给彭罗斯的颁奖理由中是十分清晰的用了“黑洞”这个词。

那么为什么诺贝尔奖委员会会在这个时分才供认黑洞这个现已被干流科学家供认多年的天体?很明显是与近年爆发式的各种黑洞相关的严重地理发现有关,这些来自各种观测手法,各个观测团队的观测成果都不容置疑地证明晰黑洞的实在存在!所以咱们下面老盘点一下这些年咱们一同看到过的黑洞。

天鹅座X-1射线源

这是最早发现黑洞的直接依据了,上世纪60年代中期,地理学家在天鹅座发现了6000光年外一个不断发射X射线的双星体系,依据观测承认它们其间之一是一颗质量为20-40倍太阳质量的恒星,依照其光度,它不会是X射线的发射源,而X射线源一个是它的伴星,但这颗伴星简直是不行见的,但依据轨迹运动估测其质量约为太阳的8.7倍,但这颗伴星在可见光和无线电波段都根本上不行见,这样的质量在可见光波段却不行见,科学家由此判别它是一个细密天体,其时理论上已知的细密天体又白矮星、中子星和黑洞,依照其8.7倍的太阳质量,理论上判别是一个黑洞。听说霍金为此与老友基普·索恩打赌,霍金成心说那里不是黑洞,这样他咱们赢了,就取得赌注,咱们输了,他一生研讨的黑洞就被证明存在,他一起会成为最大的赢家!精明的霍金最终供认输掉了赌局,而自己则成为了黑洞研讨的榜首威望。

银河系中心超大质量不行见天体

尽管天鹅座X-1被霍金以供认落败的方法宣告为黑洞,但毕竟那不是一个十分有力的直接依据,因而,在很长时刻里,人们都仍然以为黑洞尚未被证明。在几年前,还有很多人持这样的观念,不过我那时就指出,黑洞现已被观测证明了!不是天鹅座X射线源,而是银河系中心黑洞!

早在上世纪70年代中期,地理学家就通过射电望远镜承认了银河系中心存在一个较强的射电源,因处在人马座里边,因而符号为人马座A*。科学家估量那里是一个黑洞,但因为银河系中心邻近与地球之间存在很多的星际尘土,可见光辐射很难穿透出来,对进一步的观测形成极大的困难。

直到20年后的1995年,有两个研讨团队一起展开对银心射电源人马座A*的观测,以承认其天体性质。这两个团队便是本年一同取得诺贝尔物理学奖的根策尔和盖兹团队。

因为无法通过可见光进行观测,盖兹挑选了最接近可见光的红外波段进行观测,红外波段是能通过光学望远镜进行观测的最长波段,通过大口径的光学望远镜能够取得人马座A*周围恒星的光谱,而盖兹运用的是坐落夏威夷莫纳克亚山上10米口径的凯克望远镜。取得恒星光谱后,就能够使用光谱剖析法取得恒星视向速度的准确数据。

使用凯克望远镜,她很快发现了一颗短周期的恒星,编号为S0-2,据观测剖析它的公转周期约为16年,沿一个椭圆轨迹绕中心一个不行见的天体公转。当它在2002年通过近心点时,间隔中心的人马座A*仅120个地理单位,而最快时其运动速度高达5000km/s,盖兹团队据此推算出其间心天体人马座A*的质量约为太阳质量的400万倍,咱们观测无误,在这么小范围内会集了如此高的质量,而又在红外波段根本看不见,这在理论上好像只要一种或许——黑洞。

而咱们前面说了,是两个团队进行了相同的观测,而他们得到的观测成果是一起的!因而能够以为观测无误,那么定论便是:人马座A*射电源是一个质量约为400万倍太阳质量的超大质量黑洞。而后续更多恒星的观测成果印证了这一点,毫无疑问那便是个黑洞。

所以,其实在盖兹他们发布这个观测成果今后,我以为黑洞现已被证明了。但不知为何,这个严重发现其时并没有像后来的引力波相同立刻被颁布诺贝尔奖。或许正因如此,科学爱好者集体里仍然流传着黑洞仅仅一种假说的传言。直到另一次的严重地理发现……

倾听时空的琴弦——双黑洞兼并引力波

2015年9月14日,一阵13.4亿光年外宣布的时空涟漪拂过地球,在LIGO坐落美国西北海岸的汉福德和南海岸利文斯顿两个相距3000km的真空激光干与仪简直一起记载下了这段时空的琴音,两者接收到信号的时刻仅相差7毫秒。

依据数值模仿的理论模型比对,这个引力波事情来自两个质量分别为36倍和29倍太阳质量的黑洞兼并成一个62倍太阳质量的黑洞进程中所开释的引力波,引力波的总能量约为3个太阳质量,这次引力波事情中没有发现电磁波信号。

此次引力波的周期从30Hz开端被勘探到,直到240Hz左右完毕,这意味着发生引力波的两个天体以每秒15圈-每秒120圈的速度在绕转!依照理论模型,这两个发生引力波的天体在200公里间隔时发生的引力波频率高达100Hz,这意味着它们约每秒一同绕质心旋转50圈,这样,其公转线速度将高达62800km/s左右,相当于光速的21%!在这么近的间隔上以这样高的速度绕转,这两个天体只能是黑洞,没有其他挑选了,要知道这200公里只要国际空间站间隔海平面的一半。

因而,这次引力波事情的发现再一次毫无争议地证明黑洞的存在。可是,这引力波比对用的理论模型靠谱吗?

引力波模型的最强验证——双中子星兼并引力波

在榜首次引力波发现后,我们干流存在两种观念,一种是引力波会立刻颁布当年的诺贝尔物理学奖,另一种则以为这个发现还够不着。我其时是第三种观念:需求多一个验证,至少得坐落欧洲的Virgo引力波勘探器也一起测到才算,抱负状况是要其它观测手法一起观测到引力波事情。因为只要后者才干真实验证理论模型的实在性。

不过这个终极验证来得有点快,在次年8月17日的一次双中子星兼并事情让全球一切地理观测手法一同验证了引力波模型的实在性。

这次引力波事情简直一起被LIGO的两个干与仪和Virgo的一个干与仪勘探到,并在勘探到引力波兼并信号的1.7秒后,费米伽马射线空间望远镜勘探到一次伽马射线短爆,随后,全球各国把从射电、红外、可见光到X射线在内的很多地上和空间望远镜一起对准了LIGO和Virgo给出的引力波源地点天区,在一切波段都取得了该引力波事情的电磁信号。这次全球性协作的联合观测严厉证明晰引力波比对模型的正确性,证明晰此前的引力波事情确实为双黑洞兼并发生,而这次的成功观测也正式敞开了多信使地理学!当年的诺贝尔物理学奖毫无悬念地颁给了LIGO的三位发起人。

很明显,这个时分黑洞的存在现已毫无争议了,那首要观测并承认银心黑洞的根策尔和盖兹也该发个奖了,不过并没有……

黑洞存在的终极依据——视界面望远镜拍照到人类首张黑洞相片

时刻到了2019年4月,全球多家地理台联合参加的视界面望远镜方案,由分别在全球多个区域的毫米波射电望远镜组成的射电干与阵列,成功拍照到了人类首张黑洞相片,黑洞的形状与理论彻底符合,黑洞的存在现已是不容置疑的铁一般现实了。

迟来的诺贝尔奖

至此,根策尔和盖兹的奖也该颁了,但或许因为此刻现已错过了诺贝尔奖年度提名的时刻,两人再度失去2019年度的诺贝尔物理学奖,奖项颁给了另一个与地理学相关的世界微波布景辐射和系外行星勘探,直到本年在一切人的意料之外,诺贝尔奖委员会接连两年颁给了地理学,根策尔和盖兹与证明黑洞理论的彭罗斯一同取得了2020年度诺贝尔物理学奖。故事完美完毕。

但其实近几年的黑洞发现远不止这些,但那些几个月就出一个的黑洞大新闻对此次的颁奖并没有决定性的效果,这篇文章也太长了,所以就不赘述了,有时机我在另文持续盘点。

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