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有哪些已发现且实锤的物理现象,是无法解释的


2020-01-09 12:46

最近,有关郭守敬望远镜发现大质量黑洞的消息非常火爆,论文被刊登上了《自然》杂志。论文的名称如下:
A wide star–black-hole binary system from radial-velocity measurements
这篇论文大概讲述了这样一个发现:迄今为止,所有恒星质量的黑洞都由伴星吸积到黑洞的气体发出的X射线所识别。这些系统双星系统,称为黑洞X射线双星,其黑洞质量小于太阳的30倍。然而,理论预测,发射X射线的系统仅占黑洞X射线双星总数的一小部分。当黑洞不吸收气体时,可以通过对伴星的运动进行径向速度测量来发现黑洞。郭守敬望远镜团队对银河系B型恒星LB-1进行了两年的径向速度测量。他们发现B星的运动和伴随的Hα射线需要存在一个质量为68个(有十几个的误差范围)太阳质量的星体才能解释,只能是一个黑洞。 78.9天的长轨道周期表明,这是一个双星距离很远的双星系统。引力波探测实验已经检测到质量相似的黑洞,但是在目前的恒星演化理论中,在高金属性环境中形成如此巨大的黑洞是很难解释的。
 
事实上,关于黑洞的很多理论都是不甚成熟的。在黑洞研究领域,说观测领先于理论绝不为过。简单地说明一下这些问题。
 
正如这次郭守敬望远镜的发现,我们观测黑洞无法直接观测其内部的结构或者外在的光学形貌,只能对其进行间接的观测。一般认为黑洞有三种大小:恒星级黑洞、中等质量黑洞,和位于星系中心的超大质量黑洞。对于这些黑洞的观测,我们采取的一般手段是观测接收天体的辐射射线,或对吸积盘进行成像操作。吸积盘是黑洞因为自身引力吸引星际物质在其周围形成的盘状结构。对于吸积盘的结构模型,有标准吸积盘、CDAF、ADAF等多种理论。之前吸引大众视野火遍全网的“人类首张黑洞照片”,就是利用黑洞事件视界望远镜对超大质量黑洞吸积盘结构的观测成像。
 
而黑洞事件视界望远镜也是一个遍布全球的各大天文台组成的庞大观测系统。
 
利用这些庞大的天文望远镜系统,我们实现了对大质量黑洞的成像观测,然而即使是这样,照片的处理也需要复杂的算法,历时很多个月才最终完成。而对于恒星级的黑洞X射线双星,我们一般会使用空间X射线的手段进行探测。探测到的结果可以说是“已经实锤的物理现象”,然而对其进行解释却给了物理学家一个又一个难题。举几个简单的谜团来说一下:
 
第一:黑洞吸积流是什么,能否使用精确的数学模型描述。一些黑洞还存在喷流现象,它们会喷流出能量极高的物质流,甚至可以达到相对论的范围,即90%以上光速的喷流速度。喷流的形成机制到底是什么,与黑洞的磁场和旋转有没有关系,喷流与吸积流有什么联系,都是等待人类探索的谜团。
 
第二:我们观测黑洞的射线辐射功率谱,会发现存在时变现象,也叫“准周期振荡”。这种振荡有时会包含谐振现象。人们目前把这种准周期振荡作为研究广义相对论的重要工具,但是对于振荡形成的机制,却成了一个未解的谜团。
 
这类有关黑洞观测效应的未解之谜还有很多,比如黑洞能态转换的原因、超亮X射线源的结构是什么,与中等质量黑洞是否存在联系都是困扰着物理学家的问题。这次郭守敬望远镜的发现所带来的恒星级黑洞形成机制的讨论则是有关黑洞起源的谜团。在已经相对成熟的恒星级黑洞形成机制理论中尚且出现了这样一个例外,更不用说其它黑洞。超大质量黑洞的形成与演化自始至终都是人类不能透彻理解的理论空白区。
 
可以说,黑洞不仅仅是“看上去黑”,黑洞理论本身就是一个无底的黑洞。开尔文勋爵的两朵乌云被揭开后,物理学大厦的上空似乎并不是晴空万里,而是迎来了一场场风暴。然而这才是物理学家们想要的。随着研究的深入,更多问题的出现,正是应该看到的,因为站得更高才能看得更远。这些神秘的天体背后,可能就隐藏着物理学家梦寐以求的终极理论之梦。

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