光在黑洞上也不能逃逸，那科学家是如何观测到黑洞的？
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发布时间：2022-04-20 07:39
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时间：2024-03-30 23:02
根据狭义相对论，没有任何物体的速度能超越光速，所以如果光都不能逃逸，那其他任何东西也不能。其结果将会导致一个黑洞的诞生：一个无限扭曲的时空区域。——史蒂芬·霍金
霍金的这段话，就是我们对一个黑洞的定义，其实很简单，就是光都无法逃脱的时空区域就是一个黑洞。而我们人类探测外部世界，无论是用肉眼还是各种先进的仪器，都是基于接收和发射电磁波。但是黑洞这东西连光都无法逃脱，那我们是如何看见黑洞的？甚至在今年的4月份还公布了首张黑洞照片！
当然近年来，我们还发展出了中微子天文学和引力波天文学， 但是这些还都处于起步阶段，而且它们也无法对一颗黑洞成像啊，因此今天就说下：我们如何看见黑洞？
老生常谈：黑洞怎么来的？
在生活中，我们肯定遇到过大小相同，但质量不同的物体。即使是体积相同、原子数目相同，但质量也会不同，因为物体可以由不同的元素构成。在元素周期表中，原子序数越大，质量也就越大，如果忽略电子壳层大小的差异，所以每个原子越重，物质的密度就越大。
但就密度而言，还有一种办法可以增加物体的密度，而不仅仅是增加原子核的质量。
在大尺度上，引力是所有基本力中最强大和最不可抗拒的力。如果太阳的核心没有进行的物质到能量的核聚变反应，整整30万倍于地球质量的太阳将会塌缩到和地球的体积差不多大。也就是说，太阳塌缩形成的这个天体，其密度是地球上最重元素的数千倍。
这是因为引力可以压缩原子本身，只有泡利不相容原理的量子简并压力才能阻止这颗假设的白矮星进一步坍缩。如果有足够的质量提供更大的引力就会迫使电子进入原子核，把所有的质子和电子融合成中子，创造出密度更大的物质，即中子星。
白矮星是一个质量相当于太阳的天体，被压缩到地球的大小，而中子星则是同样的太阳质量，被压缩到比一个城市还小的体积！像中子星这样质量大、密度大的天体任何物体也很难在其表面逃逸，例如：在地球表面，速度需要达到约11.2公里/秒才能逃脱地球的引力，但在中子星表面，则需要以每秒20万公里的速度移动，这超过了光速的一半！
如果我们再把越来越多的质量堆在中子星上，中子星最终会坍塌，甚至连光都无法逃逸。正如霍金（以及之前的许多人，一直可以追溯到18世纪的约翰·米歇尔）所指出的那样，这将会在太空中形成一个黑洞，物质（以及其他形式的能量）如果会掉入黑洞，将没有任何东西可以逃出来！
理论到观测：我们一开始是如何确定黑洞存在？
如果没有任何东西可以从黑洞中逃脱，即使是光也不行，那么我们是如何对黑洞成像的？甚至是一开始如何确定它确实存在呢？首先我们要清楚的是，在科学家调集全球8台射电望远镜准备对M87黑洞进行成像的时候，我们已经有足够的证据证明了黑洞确实存在，我们是如何做到的？
答案很简单：引力和X射线
离我们比较近的黑洞，例如我们自己的银河系中心黑洞，我们可以通过观察单个恒星围绕一个不发光的点质量的运行情况，我们就可以推断在我们星系的中心有一个点质量是太阳质量的数百万倍的天体。而且它还不发光，也没有任何类型的发射信号，（这是因为银河系中心黑洞质量太小，除了引力，没有其他可观测的信号）这肯定就是一个黑洞。
而其他星系的中心黑洞，它们都离我们太远，无法测量周围轨道上的恒星运动。那么我们怎么知道它们确实存在呢？
黑洞强大的引力会把离它太近的物质撕碎（潮汐力和潮汐摩擦）。这包括气体云，小行星，行星，甚至整个恒星，如上所示！
黑洞，像中子星、白矮星和普通恒星一样，也有很强的磁场，当我们越接近视界面，或者说光无法逃逸的点，磁场就会变得越强。当物质（它是由带电粒子组成的，比如质子和电子）穿过磁场时，就会被加速，随着磁场变得越来越强，黑洞中心也会释放出越来越高的能量，称为黑洞物质喷流。
所以我们可以寻找来自星系中心的x射线辐射源，以及伴随而来的黑洞双极喷流，就像上图中来自半人马座A的喷流。就可以确定黑洞的存在。
黑洞物质喷流是一个超大质量黑洞存在的证据，说明这个黑洞十分活跃，正在从自己的星系中享用、吞噬那些落入其中的物质！
上图中巨大的椭圆星系是梅西耶60，在它的中心有一个数十亿太阳质量的黑洞，我们可以通过x射线辐射源分辨出黑洞的质量。那么我们怎么知道它的质量的？这是因为x射线的发射强度和加速物质运动的黑洞质量之间存在一种关系！通过这种关系我们就可以计算出黑洞的质量。但不是每个黑洞都如此的活跃，吞噬着大量的物质，这些黑洞有没有可能被观察到呢？下面要说的这个黑洞性质，就是我们可以对其成像的关键。
黑洞的吸积盘，是我们对其成像的关键
虽然不是每个黑洞都很活跃，其中心都向外喷射物质喷流，但存在于其他物质附近的每个黑洞都会有一个吸积盘。如果我们能够近距离观察吸积盘，我们会发现里面的物质越往中心就会以越来越高的速度加速时，也会发出越来越强的辐射。
换句话说，吸积盘的最外层是看不见的，但当我们向内移动时，即使黑洞本身没有发出任何光，我们也会看到吸积盘在有限的半径内开始发出暗淡的红色，当我们向内移动到事件视界时，会增强到橙色、*、白色，最终变成蓝色和紫色！
如果我们能看到紫外线或x射线，就会发现这些光会在离视界面很近的地方逐渐增强，所以即使光无法逃脱黑洞，即使黑洞没有吞噬大量的物质形成喷流，黑洞也会因为吸积盘的存在变得可见！这就是天文学家可以直接看到黑洞的原因。这也是M87星系照片的的来源。
这就是我们看到黑洞的方式：实际上是通过它们的引力和x射线，理论上是通过来自黑洞吸积盘光谱的所有部分的光，以及来自霍金辐射的超低能量的光。这也是为什么我么经常说：黑洞不黑。
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