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黑洞的观测

9.6 黑洞的观测

尽管黑洞被人们广为认可已经近半个世纪了，对其观测却仍然有着一些争议．问题的关键在于黑洞无法向我们传递任何信息，我们无法通过传统的观测手段对它进行直接观测．对于前面我们讨论的通过大质量恒星塌缩形成的孤立黑洞是很难被确认的．一种有用的手段是通过对双星系统进行观测．在宇宙中三分之二的恒星是存在于双星系统中的，因此有可能通过对双星系统，如 X 射线双星进行观测来发现黑洞。我们寻找这样的双星系统，其中一颗恒星是致密的，如黑洞或者中子星，这样伴星会被吸引形成吸积盘，在吸积盘的中心必然是一颗致密星体．如何区分黑洞还是中子星呢？在 X射线双星系统中，可以通过分析质量和脉冲频率来判断是否有黑洞存在． X 射线源是最明亮的源。如果在 X 射线源处，恒星有非常规的时间变化和频谱，则可以判断恒星与另一颗致密星体有共同的轨道．如果吸积物体稳定地发出脉冲，则它是一颗脉冲星．由此，通过伴星的速度和轨道半径，以及通过频谱估算伴星的质量，我们可以知道致密星体的质量．由于中子星的质量不能远大于 $3 M_{\odot}$ ，因此通过质量函数可以判断致密星体是中子星还是黑洞．
近年来，随着引力波探测技术的发展，人们发现了很多双星并合产生的引力波信号，其中包括双黑洞的并合、黑洞－中子星的并合等，这为研究黑洞和中子星的物理性质提供了新的窗口。 实际上，第一个被探测到的引力波信号来自两个几十倍太阳质量的黑洞的并合过程。随着更多的引力波信号的发现，分析显示黑洞的质量分布在通常的理论预言之外。这些黑洞的形成机制成为前沿研究的热点问题。

另一方面，人们相信在每一个星系中心都存在超大质量黑洞。这些黑洞的质量可以是 $10^6 M_{\odot} \sim 10^9 M_{\odot}$ 。离我们最近的是银河系中心的具有 $4.3 \times 10^6 M_{\odot}$ 质量的黑洞。它们只能通过非直接地观测其对周围恒星的作用，如红外光的观测来确认。有大量的证据显示这些超大质量的黑洞是存在的 ${ }^{(8)}$ ，例如，通过长时间跟踪其周围星体的运动轨迹来分析中心天体的物理性质．但是，这些超大质量黑洞的形成机制还有一些疑问：

（1）黑洞是在星系形成时首先形成的，还是逐渐形成的？
（2）黑洞形成时就具有 $\sim 10^6 M_{\odot}$ 的大质量，还是有一个较小的质量但通过吞噬其他物体而变重？
（3）它是如何生长的，是通过吸积气体和恒星还是与其他黑洞并合？
在星系中心的大质量黑洞通常是超大质量黑洞的子体。它们可以通过吞噬、吸积或者并合来增长质量，变成超大质量黑洞．在星系中心存在着活动星系核（active galactic nucleus，简记为 AGN），或者类星体（quasar）．类星体是类似于恒星的射电源，亮度高达 $10^{48} \mathrm{erg} / \mathrm{s}$ ，比整个星系亮 $100 \sim 1000$ 倍。而且类星体非常致密，尺度很小，只有几个 pc 甚至更小，在照片上看起来就像恒星一样．类星体的辐射谱很宽，不是黑体谱．此外类星体还伴随着射电喷注．林登贝尔（Lynden－Bell）认为：类星体现象是由在星系中心的超大质量黑洞对气体的吸积造成的。

近年来，对超大质量黑洞的研究有了新的武器． 2017 年，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，简记为 EHT）合作组利用分布在全世界的射电阵列望远镜成功地对星系 M87 中心的黑洞进行了成像。由于黑洞周围吸积盘中的物质发光，这些光线有的被黑洞吸收无法逃逸，而其他的光线可能被望远镜捕捉到，在成像的照片中将有黑洞的阴影．黑洞成像成为了检验强场区域中的广义相对论、理解吸积盘物理和喷注现象的理想平台。

黑洞的另一种可能的观测来自实验室．过去十几年来，人们热烈地讨论是否有可能在实验室中，如大型强子对撞机（LHC）上产生非常小的黑洞，如果产生了，如何观测其信号，它是否有可能吞噬我们的宇宙或者造成其他灾难等问题。研究表明，我们不必担心人类的命运．首先，它不太可能产生．其次，即使它产生了，这个极小黑洞也会很快通过霍金辐射蒸发．对于后一种情形，它可能留下实验痕迹．

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