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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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【新華網(wǎng)】科學(xué)家如何讓看不見的黑洞現(xiàn)形？

2017-06-16 新華網(wǎng) 喻菲全曉書屈婷

【字體：大中小】

語音播報(bào)

　　方法一：柴郡貓的笑容

　　雖然人類不能直接看見黑洞，但是它就好像《愛麗絲漫游仙境》中會(huì)露出牙齒的柴郡貓一樣，通過強(qiáng)引力所導(dǎo)致的時(shí)空扭曲展現(xiàn)它的“笑容”。遠(yuǎn)方天體發(fā)出的光線在黑洞附近會(huì)被彎曲，黑洞扮演了引力透鏡的角色。

　　愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了這種效應(yīng)，對(duì)于一個(gè)大質(zhì)量天體而言，比如黑洞或者星系，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力場(chǎng)，使周圍時(shí)空彎曲得更加劇烈，包括光在內(nèi)的任何東西都會(huì)受到強(qiáng)大引力場(chǎng)的影響。

　　哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)拍攝到很多這樣的例子，來自遙遠(yuǎn)背景星系的光線在途經(jīng)前方星系或者黑洞產(chǎn)生的引力場(chǎng)時(shí)，發(fā)生了扭曲而形成“弧形”，甚至可變成圓環(huán)形狀。天文學(xué)家認(rèn)為引力透鏡不僅能讓我們了解到遙遠(yuǎn)宇宙（背景星系）的情況，還可能包含著前景星系中央超大質(zhì)量黑洞的信息。

　　方法二：星星繞著誰跳舞？

　　黑洞的引力會(huì)對(duì)附近天體產(chǎn)生影響。天文學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)到一些天體系統(tǒng)，其中的兩顆恒星因彼此間的引力吸引而做互繞運(yùn)動(dòng)。天文學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，在某些這類雙星系統(tǒng)中只能看到一顆恒星，它繞著某個(gè)不可見的伴星做軌道運(yùn)動(dòng)。

　　此外，在絕大多數(shù)星系的中心，都存在著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。正如地球繞著太陽轉(zhuǎn)，星系中的恒星也都圍繞著這個(gè)超級(jí)黑洞旋轉(zhuǎn)。

　　1995年起，天文學(xué)家開始對(duì)銀河系中心區(qū)域附近的90顆恒星進(jìn)行軌跡觀測(cè)和記錄。這些記錄顯示：所有恒星都圍繞著一個(gè)黑暗的中心運(yùn)動(dòng)著。在20年的時(shí)間里，這90顆恒星中的一顆名為S2的恒星完成了一次完整的繞行。根據(jù)S2的軌道數(shù)據(jù)，科學(xué)家終于計(jì)算出了銀河系中心這個(gè)黑暗天體的基本數(shù)據(jù)：質(zhì)量約為430萬倍太陽質(zhì)量，半徑約為0.002光年。這樣一個(gè)高密度不發(fā)光的天體，基本上只可能是黑洞。

　　方法三：一貪吃就露餡

　　當(dāng)黑洞吞噬恒星等物質(zhì)時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)被黑洞的巨大引力撕扯成氣體，并在黑洞視界外圍形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的氣體吸積盤，其中氣體一邊旋轉(zhuǎn)一邊向視界靠近，最終被吸入黑洞。吸積盤中氣體高速旋轉(zhuǎn)，越靠近視界轉(zhuǎn)速越快，高速氣體之間的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，使吸積盤中心部分氣體溫度達(dá)到驚人的高度并發(fā)出強(qiáng)烈的X射線?？茖W(xué)家可以通過捕捉宇宙中的X射線，并由此推斷黑洞的存在。

　　有的黑洞處于雙星系統(tǒng)中，而另外一個(gè)天體是正常的恒星，在這種情形下，正常恒星的物質(zhì)會(huì)被黑洞強(qiáng)大的引力吸引過去。這些物質(zhì)不會(huì)直接掉入黑洞中，而是會(huì)首先進(jìn)入黑洞周圍的吸積盤中，某些時(shí)候吸積氣體的量過多，不能被黑洞全部吞掉，還會(huì)沿著黑洞的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸將多余的氣體拋射出去，產(chǎn)生非常壯觀的噴流。正是由于吸積盤和噴流的存在，它們都能夠產(chǎn)生電磁輻射，科學(xué)家利用地面或者太空的望遠(yuǎn)鏡就可以探測(cè)到黑洞的存在。

　　中國發(fā)射的“慧眼”太空望遠(yuǎn)鏡就是利用這個(gè)方法觀測(cè)黑洞的。

　　方法四：看不見還可以聽

　　2015年9月14日人類首次探測(cè)到引力波，從此擁有了感知宇宙的新能力，通過時(shí)空漣漪聆聽宇宙天體彈奏的交響樂。而那次探測(cè)到的引力波就來自兩個(gè)黑洞的并合，這也是黑洞以及雙黑洞系統(tǒng)存在的最有力證據(jù)。

　　引力波就像時(shí)空中的漣漪。兩個(gè)黑洞組成的天體系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生能夠被探測(cè)到的電磁波輻射。因此引力波是目前研究雙恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的唯一手段。引力波為人類打開了一扇研究黑洞的新窗口。引力波探測(cè)能夠幫助科學(xué)家了解雙黑洞系統(tǒng)在宇宙中的分布以及形成和演化機(jī)制?？茖W(xué)家認(rèn)為，將來更高精度的引力波探測(cè)將有可能探測(cè)到黑洞內(nèi)部的物質(zhì)分布，從而理解它們的形成和演化歷史，而這是其他任何天文觀測(cè)手段都不可能實(shí)現(xiàn)的。

　　中國6月15日發(fā)射了硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡“慧眼”去探測(cè)黑洞。然而，神秘如幽靈般的黑洞不會(huì)發(fā)出任何光輻射，那么怎樣才能在茫茫宇宙中探測(cè)到它們呢？這似乎有點(diǎn)像在煤窖里尋找一只黑貓。幸好，科學(xué)家找到了一些辦法，其中之一就是“慧眼”使用的方法。
　　方法一：柴郡貓的笑容
　　雖然人類不能直接看見黑洞，但是它就好像《愛麗絲漫游仙境》中會(huì)露出牙齒的柴郡貓一樣，通過強(qiáng)引力所導(dǎo)致的時(shí)空扭曲展現(xiàn)它的“笑容”。遠(yuǎn)方天體發(fā)出的光線在黑洞附近會(huì)被彎曲，黑洞扮演了引力透鏡的角色。
　　愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了這種效應(yīng)，對(duì)于一個(gè)大質(zhì)量天體而言，比如黑洞或者星系，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力場(chǎng)，使周圍時(shí)空彎曲得更加劇烈，包括光在內(nèi)的任何東西都會(huì)受到強(qiáng)大引力場(chǎng)的影響。
　　哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)拍攝到很多這樣的例子，來自遙遠(yuǎn)背景星系的光線在途經(jīng)前方星系或者黑洞產(chǎn)生的引力場(chǎng)時(shí)，發(fā)生了扭曲而形成“弧形”，甚至可變成圓環(huán)形狀。天文學(xué)家認(rèn)為引力透鏡不僅能讓我們了解到遙遠(yuǎn)宇宙（背景星系）的情況，還可能包含著前景星系中央超大質(zhì)量黑洞的信息。
　　方法二：星星繞著誰跳舞？
　　黑洞的引力會(huì)對(duì)附近天體產(chǎn)生影響。天文學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)到一些天體系統(tǒng)，其中的兩顆恒星因彼此間的引力吸引而做互繞運(yùn)動(dòng)。天文學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，在某些這類雙星系統(tǒng)中只能看到一顆恒星，它繞著某個(gè)不可見的伴星做軌道運(yùn)動(dòng)。
　　此外，在絕大多數(shù)星系的中心，都存在著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。正如地球繞著太陽轉(zhuǎn)，星系中的恒星也都圍繞著這個(gè)超級(jí)黑洞旋轉(zhuǎn)。
　　1995年起，天文學(xué)家開始對(duì)銀河系中心區(qū)域附近的90顆恒星進(jìn)行軌跡觀測(cè)和記錄。這些記錄顯示：所有恒星都圍繞著一個(gè)黑暗的中心運(yùn)動(dòng)著。在20年的時(shí)間里，這90顆恒星中的一顆名為S2的恒星完成了一次完整的繞行。根據(jù)S2的軌道數(shù)據(jù)，科學(xué)家終于計(jì)算出了銀河系中心這個(gè)黑暗天體的基本數(shù)據(jù)：質(zhì)量約為430萬倍太陽質(zhì)量，半徑約為0.002光年。這樣一個(gè)高密度不發(fā)光的天體，基本上只可能是黑洞。
　　方法三：一貪吃就露餡
　　當(dāng)黑洞吞噬恒星等物質(zhì)時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)被黑洞的巨大引力撕扯成氣體，并在黑洞視界外圍形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的氣體吸積盤，其中氣體一邊旋轉(zhuǎn)一邊向視界靠近，最終被吸入黑洞。吸積盤中氣體高速旋轉(zhuǎn)，越靠近視界轉(zhuǎn)速越快，高速氣體之間的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，使吸積盤中心部分氣體溫度達(dá)到驚人的高度并發(fā)出強(qiáng)烈的X射線。科學(xué)家可以通過捕捉宇宙中的X射線，并由此推斷黑洞的存在。
　　有的黑洞處于雙星系統(tǒng)中，而另外一個(gè)天體是正常的恒星，在這種情形下，正常恒星的物質(zhì)會(huì)被黑洞強(qiáng)大的引力吸引過去。這些物質(zhì)不會(huì)直接掉入黑洞中，而是會(huì)首先進(jìn)入黑洞周圍的吸積盤中，某些時(shí)候吸積氣體的量過多，不能被黑洞全部吞掉，還會(huì)沿著黑洞的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸將多余的氣體拋射出去，產(chǎn)生非常壯觀的噴流。正是由于吸積盤和噴流的存在，它們都能夠產(chǎn)生電磁輻射，科學(xué)家利用地面或者太空的望遠(yuǎn)鏡就可以探測(cè)到黑洞的存在。
　　中國發(fā)射的“慧眼”太空望遠(yuǎn)鏡就是利用這個(gè)方法觀測(cè)黑洞的。
　　方法四：看不見還可以聽
　　2015年9月14日人類首次探測(cè)到引力波，從此擁有了感知宇宙的新能力，通過時(shí)空漣漪聆聽宇宙天體彈奏的交響樂。而那次探測(cè)到的引力波就來自兩個(gè)黑洞的并合，這也是黑洞以及雙黑洞系統(tǒng)存在的最有力證據(jù)。
　　引力波就像時(shí)空中的漣漪。兩個(gè)黑洞組成的天體系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生能夠被探測(cè)到的電磁波輻射。因此引力波是目前研究雙恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的唯一手段。引力波為人類打開了一扇研究黑洞的新窗口。引力波探測(cè)能夠幫助科學(xué)家了解雙黑洞系統(tǒng)在宇宙中的分布以及形成和演化機(jī)制?？茖W(xué)家認(rèn)為，將來更高精度的引力波探測(cè)將有可能探測(cè)到黑洞內(nèi)部的物質(zhì)分布，從而理解它們的形成和演化歷史，而這是其他任何天文觀測(cè)手段都不可能實(shí)現(xiàn)的。

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