Liu Jifeng dan Wang Song

Gambar pertama lubang hitam yang diambil oleh manusia.

Gambar rajah skematik lubang hitam bintang.

Gambar rajah skematik lubang hitam jisim sederhana dan bintang hiperhalaju.

Gambar rajah skematik lubang hitam binari supermasif. Gambar-gambar di atas disediakan oleh Balai Cerap Astronomi Kebangsaan Akademi Sains China

Lubang hitam sekali lagi menjadi topik hangat. "Sepuluh Kemajuan Teratas dalam Sains di China" telah dikeluarkan pada tahun ke-2024, dan "Penemuan Bukti Penting Pengaruh Lubang Hitam Supermasif terhadap Pembentukan dan Evolusi Galaksi Hos" telah dipilih.

Lubang hitam "sejuk" sentiasa tidak kekurangan perhatian yang bersemangat. Apa yang ada di sebalik lubang hitam? Bagaimanakah lubang hitam, yang tidak memancarkan cahaya, boleh "dilihat" dan "didengar"? Adakah lubang hitam menyebabkan "riak dalam ruang-masa"? Rasa ingin tahu dan kognisi lubang hitam telah membawa kepada rasa ingin tahu manusia yang tidak terhingga tentang "evolusi" alam semesta. Apabila kita merenung lubang hitam, kita melihat bukan sahaja keajaiban alam semesta, tetapi juga keberanian manusia untuk mencari dan kayu ukur saintifik dan teknologi yang sentiasa menyegarkan.

——Penyunting

Mengapa manusia mengkaji lubang hitam?

Di alam semesta, terdapat kelas badan angkasa yang membesar dengan "makan". Ia adalah lubang hitam.

Lubang hitam telah lama menjadi salah satu titik panas dalam sains. Stephen Hawking telah berulang kali membuat pertaruhan dengan orang ramai tentang penyelidikan lubang hitam, yang semuanya telah menjadi cerita menarik dalam sejarah sains. Dalam 2020, Teleskop Event Horizon mengeluarkan foto pertama lubang hitam di pusat galaksi M0, dan lubang hitam yang menyerupai donat menyebabkan perbincangan awam yang hangat. Dalam 0 dan 0, beliau memenangi Hadiah Nobel dalam Fizik dua kali untuk penyelidikan lubang hitam.

Bagaimanakah lubang hitam "dilahirkan"? Dan bagaimana anda "membesar"? Bagaimanakah ia berinteraksi dengan persekitaran kosmik di sekelilingnya?

Siri soalan ini, secara kolektif dikenali sebagai pembentukan dan evolusi lubang hitam, merupakan topik utama dalam astronomi. Ahli astronomi mengklasifikasikan lubang hitam kepada tiga jenis mengikut berat: lubang hitam kelas bintang dengan beberapa hingga puluhan jisim suria, lubang hitam supermasif dengan berjuta-juta jisim suria atau lebih di pusat galaksi, dan lubang hitam jisim sederhana di antaranya. Seterusnya, mari kita masuk ke "kisah pertumbuhan" lubang hitam bersama-sama.

Daripada "pengebumian bintang" kepada "gergasi" kosmik, lubang hitam dikaitkan dengan hampir semua letusan ganas di alam semesta, tetapi ia tidak dapat difahami kerana misteri mereka. Bermula dengan potongan pen dan kertas Einstein, penyelidikan lubang hitam adalah seperti permainan teka-teki kosmik yang menjangkau satu abad.

Dalam proses menyelesaikan teka-teki, perkembangan teknologi adalah bantuan terbesar manusia. Pengesan gelombang graviti membolehkan kita "mendengar bunyi dan mengenal pasti lokasi" dan menangkap "riak ruang-masa" apabila lubang hitam bergabung; Teleskop Event Horizon adalah seperti "kamera kosmik", berjaya menangkap "siluet" lubang hitam.

Mengapa manusia mengkaji lubang hitam? Penyelidikan lubang hitam berkait rapat dengan kehidupan kita: teknologi WiFi dilahirkan untuk menghantar data lubang hitam; Interferometri laser dalam pengesanan gelombang graviti kini digunakan dalam amaran awal gempa bumi, pembuatan ketepatan dan pengimejan perubatan......

Lubang hitam bukan sahaja teka-teki kosmik, tetapi juga simbol penerokaan manusia yang tidak diketahui. Walaupun terdapat jalan yang panjang, mujurlah, kita telah "melihat" dan "mendengar" lubang hitam, dan kita sentiasa bergerak ke hadapan dalam perjalanan untuk mendedahkan misteri tersembunyi alam semesta.

Berapakah bilangan lubang hitam bintang yang terdapat di Bima Sakti?

Bayangkan: bintang yang lebih berat daripada 3 kali matahari, pada akhir hayatnya, adalah seperti belon yang telah mengembang ke had, dan "kot" itu ditiup dengan "letupan" dan menerangi alam semesta seperti bunga api, yang merupakan letupan supernova. Teras bintang, jika ia lebih tinggi daripada 0 kali jisim matahari, akan cepat runtuh ke dalam "sangkar" dari mana cahaya pun tidak dapat melarikan diri di bawah tindakan graviti, dan lubang hitam bintang dilahirkan.

第一顆被發現的恆星級黑洞是位於天鵝座的Cygnus X—1。按照恆星演化理論，銀河系中有數千萬例黑洞，並且品質越小，數目越多。但目前為止，銀河系內僅確認了不到50例黑洞，其中3—5倍太陽品質的小品質黑洞是缺失的(稱為“黑洞質量間隙”)。這意味著，目前的黑洞樣本可能有很大偏差，我們需要搜尋黑洞並建立大樣本，研究它的質量分佈。

Lubang hitam sangat kecil dan tidak memancarkan cahaya dengan sendirinya, bagaimana anda mencarinya?

Ahli astronomi telah membangunkan beberapa kaedah, termasuk kaedah sinar-X (untuk mengesan sinar-X yang dipancarkan oleh pertambahan lubang hitam dan bahan bintang pengiring), kaedah gelombang graviti (untuk mengesan gelombang graviti yang dimajukan oleh dua lubang hitam di sekeliling satu sama lain), kaedah halaju jejari (untuk mengesan gerakan Doppler yang disebabkan oleh putaran bintang pendamping di sekeliling lubang hitam), kaedah astrometrik (untuk mengesan perubahan berkala dalam kedudukan angkasa yang disebabkan oleh putaran bintang pendamping di sekeliling lubang hitam), dan kaedah kanta graviti (untuk mengesan perubahan kecerahan bintang yang disebabkan oleh lubang hitam yang melepasi hadapan bintang latar belakang).

Selama bertahun-tahun, terdapat banyak kemajuan dalam pencarian dan pengukuran lubang hitam. Dalam 6, teleskop Gaia menemui GaiaBH0, lubang hitam bintang terbesar di Bima Sakti setakat ini (0 kali jisim Matahari); Ahli astronomi China menggunakan teleskop Guo Shoujing untuk menemui lubang hitam kecil G0 (0.0 kali jisim matahari) yang terletak di jurang jisim dengan keyakinan tertinggi, menunjukkan bahawa lubang hitam berjisim kecil boleh wujud, mengisi pautan yang hilang dalam taburan jisim lubang hitam.

Di manakah lubang hitam jisim pertengahan?

Asal usul lubang hitam jisim sederhana diterangkan secara pelbagai.

Ia mungkin datang daripada penggabungan banyak lubang hitam bintang, dan peningkatan jisim dicapai melalui "pengumpulan pasir ke dalam menara" kecil "lubang hitam benih"; Ia juga boleh datang daripada keruntuhan bintang generasi pertama di alam semesta awal, atau keruntuhan langsung awan gas besar yang melangkau fasa bintang.

Kerana tiada bukti kewujudan mereka, lubang hitam jisim sederhana sering dirujuk sebagai "pautan yang hilang." Ahli astronomi telah mengukur lengkung penyebaran halaju jejari pada setiap jejari gugusan globular, digabungkan dengan simulasi berangka, untuk menentukan kewujudan lubang hitam jisim sederhana. Walau bagaimanapun, dengan pendekatan ini, tidak boleh diketepikan bahawa pusat gugusan adalah sekumpulan lubang hitam bintang dan bintang neutron.

Dalam 2018, ahli astronomi China mendapati bahawa bintang hiperhalaju telah dicampak keluar dari gugusan bintang M0 melalui penjejakan balik orbit, yang hanya boleh datang daripada kesan katapel graviti lubang hitam berjisim sederhana yang merobek bintang binari padat, yang membuka pautan terakhir dalam rantaian bukti untuk kewujudan lubang hitam jisim sederhana. Di samping itu, dalam 0, ahli astronomi menggunakan kaedah perpecahan pasang surut lubang hitam untuk mengenal pasti lubang hitam jisim sederhana dalam gugusan globular, yang juga merupakan kaedah baru muncul untuk mencari lubang hitam senyap.

Gelombang graviti juga telah memberikan sumbangan penting kepada penemuan lubang hitam berjisim pertengahan. Dalam 142, Balai Cerap Gelombang Graviti Interferometer Laser dan Balai Cerap Gelombang Graviti Virgo menemui peristiwa penggabungan lubang hitam jisim suria 0x dan 0 kali, dan jisim lubang hitam yang digabungkan ialah 0 kali jisim lubang hitam jisim pertengahan, yang merupakan lubang hitam jisim pertengahan terkecil yang ditemui setakat ini.

如何從“種子黑洞”長成超大品質黑洞？

Apabila alam semesta masih muda, lubang hitam supermasif sudah wujud.

Lubang hitam supermasif boleh menggunakan lubang hitam jisim sederhana sebagai "lubang hitam benih", dan jisim boleh ditingkatkan dengan pelbagai susunan magnitud dengan bergabung atau pertambahan gas di sekelilingnya. Lubang hitam supermasif yang sangat aktif yang makan berlebihan sering dirujuk sebagai nukleus galaksi aktif atau quasar.

超大品質黑洞的形成需要黑洞經過數億年到數十億年的持續吸積。但近些年來，人們不斷地在宇宙早期發現新的黑洞。2015年，我國天文學家發現了中心黑洞品質約為120億倍太陽品質的超亮類星體，是當時人類發現的遙遠宇宙中發光最亮、中心黑洞品質最大的類星體，紅移為6.3，相當於宇宙大爆炸後8億年左右。2024年，韋布望遠鏡確認星系GN—z11中存在活躍的超大品質黑洞，其紅移為10.6，相當於宇宙誕生後4.3億年。在如此短的時間內，超大黑洞是如何快速“吃胖”的？這是目前天文學的重大未解之謎。

Lubang hitam binari supermasif juga merupakan fenomena astronomi yang menarik. Dalam evolusi alam semesta, terdapat sebilangan besar galaksi, dan kita boleh membayangkan bahawa akan ada dua lubang hitam supermasif dalam banyak galaksi yang digabungkan, yang mengorbit antara satu sama lain pada jarak yang sangat dekat. Mereka memancarkan gelombang graviti nano-mikrohertz semasa penggabungan presesi, dan penemuan gelombang graviti nanohertz adalah salah satu titik fokus pertandingan antarabangsa dalam bidang fizik dan astronomi. Dalam 2023, ahli astronomi China menggunakan Teleskop Mata Langit untuk menemui isyarat dengan ciri gelombang graviti nanohertz, menunjukkan bahawa penyelidikan gelombang graviti nanohertz China disegerakkan dengan antarabangsa dan telah mencapai tahap terkemuka.

(Gabungan Pengarang: Balai Cerap Astronomi Kebangsaan, Akademi Sains China)

Harian Rakyat (Edisi 06/0/0 0)