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美科学家公布测量黑洞质量新方法

[2007/8/1]
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据美国太空网22日报道,在最新出版的《天体物理杂志》上,美国宇航局戈达德航天中心的天文学家们公布了他们的最新黑洞质量测量技术,这项技术可以作为黑洞是宇宙中最为奇特的物理现象之一,天文学家们从来没有近距离观测过黑洞,更不可能从黑洞中取出物质并测量出它们的质量。在传统测量方法中,科学家通过观测一颗恒星的轨道运行异常,从而推断这可能是由一些无形物质(黑洞)所引起的,并以此来计算大质量的黑洞能导致该异常。

在新公布的黑洞质量测量方法中,天文学家们不需要利用重力,只需观察研究“吸积盘”即可。“吸积盘”指的是由于黑洞吞并邻近恒星时产生的热气旋转圆盘。天文学家们认为,这种手段有助于科学家们探测两个理论上黑洞:一种是不太小的黑洞(比太阳约重10倍),另一种是超大质量的黑洞(是太阳质量的数百万倍)。但对于介于这两者之间的所谓“中等质量”的黑洞则有困难,此类黑洞约为太阳质量的1000到2000倍,又称为“Goldilocks”黑洞。

然而,美国宇航局的天文学家和上述论文的合著人特德-斯特梅耶称,天体物理学家们至今还不能解释“Goldilocks”黑洞是如何形成的。在斯特梅耶和其他天文学家看来,密成一团的恒星在被小型黑洞吞噬时会产生热气,并使得黑洞逐渐变大。特德-斯特梅耶说:“我们知道黑洞是由恒星相互吞并所产生的,许多黑洞在合并时也许会变成一个更大的黑洞,但是要一颗恒星产生一个比我们的星球还大上千倍的黑洞则几乎是不可能的”。事实上,宇宙中绝大多数巨大的恒星质量只有我们太阳质量的70倍左右。在超大质量黑洞形成的过程中,黑洞家族中还会诞生出中间大小的产物。

斯特梅耶称,这些产物可能是脱落出来的“黑洞大合并的残余”。为了找到所谓的“中等质量”黑洞,斯特梅耶与其工作小组成员求助于X射线探测卫星,因为受黑洞重力影响的热气会发出X射线。斯特梅耶还特地观察了黑洞的“准周期振荡”(QPO),研究X射线信号变化的频率。他发现,黑洞越大,X射线信号变化越小,而且目前还无法测量超大质量黑洞的准周期振荡频率。
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目前,这项质量测量技术还不成熟,因此无法用来证明中等大小黑洞的存在。斯特梅耶称,下一步要做的工作就是收集更多的数据资料,以备将来测量已为人知的黑洞的质量并创立一个基线。一旦实现了这个目标,那么就可以通过测量其“吸积盘”的准周期振荡来迅速确定新发现的黑洞的重量。

在黑洞的外部边界,牛顿提出的万有引力定律将不再有效,普通的轨道飞行也不可能出现。所以从这一点来说--正如过去30年所认为的那样--物质将快速、平稳和寂静地陷入黑洞之中。因此按照流行的观点,黑洞只不过是一个大量物质的被动吸纳者。斯特梅耶说,“就像任何被搅动的流体一样,直接靠近黑洞边界的物质会被加热。这些额外的热量所发出的光,地球上的天文学家都能看到。黑洞有一个特点就是它发出的光不断变化。虽然人们30年前就知道了这一现象,但是直到现在也没有找出发生这些变化的真正原因。而剧烈搅动中的加热作用--现在已被视为黑洞附近磁力作用天然的副产品--正好为黑洞一直变化的发光量提供了一个合理的解释。”

霍金在上个世纪70年首次提出黑洞能够辐射能量的理论,但是在引入这一理论的同时,霍金也制造了物理学上的一个巨大难题,因为他认为黑洞辐射不包含以前吸入物质的相关信息,而且随着黑洞的消失,曾经存在的黑洞的相关信息也会消失于无形。这与量子力学中认为物质信息不会完全消失的理论相矛盾。但霍金最近却表示,根据他的最新发现,黑洞并非只是吞噬物质。除了会在星系形成的过程中扮演重要角色外,在经过一段相当漫长的时间后,黑洞也会把一些曾被它吸入的物质信息向外界释放出来。
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