Note：如何寻找黑洞

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我们都知道，黑洞之所以叫黑洞就是因为连光也无法逃出它的魔爪，这也就意味着在光学上我们没办法看到黑洞的模样。那么，基于无法看到黑洞的这个原理，很多民科跳出来表示“黑洞不存在”“科学家都是骗子”。但是，看不见不意味着不存在。
长久以来，天文学家们都抱着极大的热情来搜寻黑洞这一看不见的怪物，下面，我将通过对恒星级黑洞的搜寻来简单介绍一下如何寻找黑洞。
天文学家估计，在宇宙中应该存在着相当数量的黑洞，但估计毕竟只是估计，在完全看到他们之前我们也不敢保证就是对的，因为目前对黑洞的搜寻效果甚微。
其中的主要原因有两个：

确定一个天体是否为黑洞就必须要知道这个天体的两个量，一个是质量一个是半径，然后把天体半径与视界半径相比较，当半径小于视界半径时，才可以确认其为黑洞。质量可以通过双星系统的轨道运动来测量，但是半径的测量侧面临着许多困难。从之前所讲的黑洞的定义中我们可以知道黑洞视界半径很小，远小于星系之间的距离，在这种情况下分辨黑洞难度过大。由于黑洞强大的引力效应，黑洞周围都会存在着大量的星际物质（例如吸积盘），而这些星际物质往往会产生大量的辐射，从而在光学变得可见（例如《星际穿越》中的卡冈图雅黑洞周围就有一圈明亮的光环），而这会影响我们判断黑洞的实际大小。

以上两个原因也就断了我们直接看到黑洞的念想，但是给天文学家留下了通过间接测量看到黑洞的希望。
首先恒星级黑洞指的是质量在 之间的黑洞，这种黑洞不同于目前成因未知的超大质量黑洞，它们是某些恒星“星生”的终点。
由于恒星中孤立单星在宇宙中很少，大部分恒星都是双星系统，所以天文学家一般通过密近双星中黑洞吸积伴星物质后发出的高能辐射（X射线和伽马射线等）来搜寻恒星级黑洞。而这个方法面临的最大问题就是，如何区分双星系统中的致密星是白矮星还是中子星，亦或是黑洞？
首先通过我之前文章的介绍我们都对黑洞吸积有了一定的了解，知道黑洞吸积伴星物质时会在黑洞周围形成一个吸积盘，而且值得注意的是，白矮星和中子星周围也会存在着吸积过程，也就是说，白矮星和中子星周围也可能会出现吸积盘。
对于X射线双星系统来说，形成系统的最低条件就是吸积盘内的气体在吸积过程中讲引力势能转化为辐射能的能量可以发出X射线。我们假设一个无穷远处下落的粒子到达距致密星中心 处时发出辐射，能量转化效率定义为 ，其中 为引力势能， 为粒子静能， 为黑洞视界半径。
将白矮星的半径和视界半径代入，可以发现白矮星的能量转化效率仅有区区万分之几，而之前在黑洞吸积理论简介一文中我们计算过核反应的效率都有 ，很明显这么低的效率是无法产生X射线的，只可能会产生可见光和紫外辐射。
而同理，中子星的效率和黑洞的效率基本都在 左右甚至更高。这就首先排除了白矮星的可能性。
现在我们来区分中子星和黑洞。一个简单的方法就是，中子星通常都是脉冲星，也就是说，如果在双星系统中观测到了X射线脉冲现象，那就可以确定这个致密星是中子星而不是黑洞。另外还有个方法，就是由于中子星中的吸积物质会在表面堆积，这也意味着中子星中会产生间歇性再生的X射线暴，而由于黑洞没有固态表面，所以物质无法堆积，那么如果双星系统中观测到了X射线暴，且X射线暴是间歇可再生的，这也意味着该致密星很大可能是中子星而不是黑洞。
但是我们的目的是寻找黑洞，而不是寻找中子星，这时候可能有人会问，如果致密星中没有观测到X射线脉冲和间歇性再发的X射线暴，那么这个致密性是不是黑洞呢？答案是不一定。因为中子星也有可能不是脉冲星，而且有的吸积盘（中子星和黑洞都有）也会产生间隙性再发的X射线暴或者持续性的X射线暴。那么我们应该如何来区分呢？
目前天文学家一般是通过致密星的质量来区分的，天文学通过计算发现中子星的质量上限是 ，如果致密星超过这一上限，那么必为黑洞。
这时候可能又有人要问了，既然这么容易区分，那为什么开头还说“效果甚微”呢？
很简单，我们不可能直接测定双星系统中的致密星质量，只能利用可见子星的谱线移动来得到其轨道参数，然后通过开普勒定律来计算双星的总质量，最后通过一系列的比较关系来估计致密星的质量，这一系列操作存在着很大的误差，而且之前提到致密星周围通常会有明亮的吸积盘，这也就意味着可见子星的光谱容易被吸积盘的光谱所掩盖。这也是为什么理论上黑洞很多，但是被确定为黑洞的天体却很少的原因。
说句题外话，今天凌晨的时候NASA的最新研究成果表明可以通过AI的深度学习来处理大数据，而且效率很高，希望在不远的将来可以将这种方法应用到对黑洞的搜寻上来（当然这也就意味着很多天文学家要失业了）。
参考文献：
向守平. 天体物理概论[M]. 中国科学技术大学出版社, 2008.
P.S.这应该是今年的最后一次更新了，从下周开始到明年的1月5号（三周），我将把大部分精力用在复习准备期末考试上，也就是说我将断更三周。
P.P.S.昨天收到了知乎官方的私信，说由于我这一年在知乎的分享，将送我一份小礼物，我是受宠若惊的，毕竟我只是一个接触天文接触黑洞不到半年的本科生而已，文章和回答中不乏错误，我觉得我现在也就是勉强可以够得上天文专业大一学生的水平，在此感谢引我走上天文之路的二位学姐 @叶攻 和 @李雨珊 的帮助，以及帮我矫正过回答和文章的 @厉岳洲 、 @白书旭 、 @Yeoman ，也感谢在某物理群中虽然认识不久也素未谋面但是在科研学习过程中给我极大鼓励的 @清清清清清 、 @Narayan 、 @蔡家麒 、 @solomon 、 @SFWZ 、 @paid Pay 、 @圣剑骑士 、 @the N ，难免有疏漏，请见谅。
P.P.P.S.明年也请多多指教。

赤脚晓涛

哼还以为要说什么

xufang1985

hhh然而其实有更多的天文从业者有活干了

yiyee123

我平时说的不够多吗

62562001

不知道，总感觉很多学cs的有活干了