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2019年的未来科学大奖高峰论坛在北京落下了帷幕，在这次论坛中，许多世界顶尖的科学家分享了各自领域最前沿的科学研究成果。
其中中国科学院国家天文台研究员苟利军，在这次高峰论坛上发表了名为《黑洞基本性质测量的最新回顾》的主题演讲。介绍了科学家如何精确测量黑洞基本性质的方法，以及一些最新的研究结果。
苟利军是我们国家在黑洞研究领域的知名专家，是中科院黑洞首席科学家。因此，关于这次黑洞的分享是相当精彩，并且覆盖黑洞相关知识的方方面面。我对这些内容进行了整理，来和你分享。
今天，我们就介聊一聊苟利军研究员的分享以及他对于一些天文爱好者的问题的回答。
他主要从三方面进行了比较详细的讲解，分别是：
黑洞及其基本性质的测量；测量方法；如今取得的一些进展。
黑洞及其基本性质的测量
我们先从第一部分开始说。首先，我们要搞清楚黑洞到底是什么？
关于这个问题，其实了解黑洞的简史尤为重要。具体来说就是这样的：
17世纪，牛顿提出了万有引力定律，基于万有引力定律得到了我们熟悉的逃逸速度公式；
18世纪，拉普拉斯想象了可能存在一种天体，非常致密，以至于自身发出的光都无法逃脱出来。这也是关于黑洞最初的构想。
20世纪初，爱因斯坦提出了相对论，发现引力场并不是由质量直接引起的，而是时空被有质量的物体弯曲以后的效应。
在爱因斯坦提出广义相对论后不久，物理学家史瓦西就从爱因斯坦场方程中得到了精确的解，而这个解对应的是：没有转动黑洞的史瓦西解。
20世纪30年代，美国的原子弹之父奥本海默和他的学生提出了一个学说。他们认为恒星在死亡阶段有可能坍缩成一个致密的奇点，并且推导出了质量的下限：3.2个太阳质量。
20世纪60年代，迎来了黑洞研究的黄金时代，在这段时间里，迎来了两大突破：
1963年，数学家Roy Kerr通过求解爱因斯坦场方程，第一次得到了带有旋转的黑洞的精确解；1964年，科学家通过观测的方法，发现了第一颗恒星级的黑洞。
在接下来的20,30年里，许多科学家投身黑洞研究的领域。黑洞研究领域发生了好多大事件，比如：
约翰·惠勒推导了“黑洞”这个名字；史蒂芬霍金提出了史蒂芬霍金辐射。
如今，我们知道，黑洞大概分为三类：
恒星级黑洞：3~100个太阳质量之间；中等质量黑洞：100~10万个太阳质量；超大质量黑洞：几十万倍太阳质量，甚至上百万倍太阳质量。
同样的，在科学研究过程中，我们会用很多物理量来描述研究对象，对于黑洞，我们只需要三个物理量就可以描述，分别是：质量、转动、电荷。
不过由于，宇宙中的气体几乎都是以等离子体状态存在，因此，就会存在非常多的自由电荷，当一个黑洞带了电荷，就很容易和周围带电粒子达到静电平衡状态。因此，我们就只有质量、转动两个物理量来描述黑洞了。
也就是说，测量黑洞，说白了就是从测量质量、转动这两个物理量。那如何测量呢？
黑洞的测量
由于需要测量两个物理量，因此，测量的方法也不一定，我们来一个个聊一下：
测量黑洞的质量，常用的办法测量伴星运动的速度。在高中学物理的时候，我们其实就学到过了如何测量太阳的质量，具体的过程就是利用地球的转动速度，以及日地之间的距离，然后用开普勒定律就可以推算出太阳的质量。
同样的，如果存在一个中心天体，它的质量要大于三倍太阳质量及以上，我们就可以判定这个天体应该是黑洞，然后通过测量伴星周围恒星的运动速度，然后利用开普勒定律就可以得到中心天体的质量。我们把它称之为动力学方法。
对于测量黑洞的转动，实际上是很困难的。因为恒星级的黑洞只会影响黑洞周围几十公里或者几百公里的范围，而利用目前的望远镜观测这片区域很难有什么发现。因此，只能利用间接测量的方式。
上世纪70年代，美国一位物理学家巴丁就从理论上提出了黑洞转动测量的可能性。我们直接来聊一聊实际观测中是如何测量的。一般来说，黑洞都会存在吸积盘。
如果没有转动，吸积盘最里边的半径距离黑洞会比较远；如果转动非常快，而且两者是同一方向的时，就会靠着黑洞很近。这样就会在我们所观测到的黑洞光谱上留下一些特征，我们只要分析这些特征就可以推断出黑洞的转动。主要有两种分析光谱的方法：
除了这两种方法，还有一些新兴的方法，比如：引力波法，黑洞直接成像法等等。
新的研究和进展
上文我们也提到了1964年发现了第一个黑洞。但是，当时学术圈对于这个天体到底是不是黑洞，意见一直无法统一。2011年到2014年间，苟利军带着他的团队利用VIBI的射电望远镜和美国的钱德拉X射线望远镜，对这个黑洞的质量，自旋以及距离进行了精确的策略。目前，我们知道，这个天体的质量有15倍太阳质量，因此，这肯定是一个黑洞了。
到目前为止，科学家所知道的大概有10例左右的黑洞系统，已经利用连续谱做了精确的自旋测量，有一些也用到了铁线拟合的方法。两者有很好的一致性，也存在一些黑洞系统只能用一种方法来测量。
而两种新兴的测量方法也在最近几年得到了使用。2016年LIGO探测到了两个黑洞合并的引力波。
引力波可以帮助科学家来了解黑洞的质量和转动。
另外一种直接成像的方法，其实就是来自于2019年4月公布的黑洞照片。通过拟合它的阴影，我们知道这个黑洞的质量是65亿倍太阳质量。不仅如此，通过是视界面望远镜观测以及它的喷流在空间的方位角的限制，可以对这个黑洞的转动做出一些限制。
以上就是苟利军分享关于黑洞的主题演讲内容，可以说是非常全面。
史蒂芬霍金辐射
在分享的现场以及之后的记者采访，苟利军也回答了一些天文爱好者的问题。其中，大家比较关心的是黑洞照片是否证明了史蒂芬霍金辐射。苟利军也给出了专业的回答。
首先，这张黑洞照片并没有证明史蒂芬霍金辐射。史蒂芬霍金辐射是黑洞自身的辐射，很微弱，是我们看不到的。而且史蒂芬霍金辐射有个规律：质量越大，辐射越微弱。因此，只有非常小的黑洞才有可能产生较强的辐射。而恒星级的黑洞所产生的辐射要比宇宙微波背景辐射的温度还要小。因此，我们很难观测到。
宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸残留下来的余热，来自于宇宙大爆炸之后38万年时所产的辐射，一开始的光子能量很高，但随着宇宙膨胀，光子的波长逐渐被拉长，最后温度变成了2.73K，这个温度已经是相当低了，是布满全天的背景辐射。
因此，只要恒星级的黑洞辐射一点，温度稍微降一点，就可以通过宇宙微波背景辐射吸收一点东西，来弥补损失。因此，只要宇宙微波背景辐射的存在，一些恒星级的黑洞或者超大质量的黑洞一旦产生了，就基本不会消失。
关于本次“黑洞”的分享，我们就聊到这里。
原文地址：今日头条 |
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发表于 2019-12-3 22:10:01
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