2020-05-25 18:59:29| 人氣421| 回應0 | 上一篇 | 下一篇
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太空中“共舞”的雙黑洞



較小的黑洞圍繞較大的黑洞運行,大黑洞也被一盤氣體包圍。當較小的黑洞穿過圓盤時,會產生亮度超過1萬億顆恆星的耀斑(圖源:N)

[滿博成 供稿]

4月28日,美國國家航空航天局(NASA)公布了天文學家最新觀測到的OJ 287星系中雙黑洞的“共舞”現象。其中較大的黑洞質量是太陽的180億倍,是目前人類觀測到最大的黑洞,而另一個黑洞的質量是太陽的1.5億倍。

較小的黑洞每12年先後撞擊兩次大黑洞周圍由氣體塵埃組成的吸積盤,形成的耀斑比一萬億顆恆星還亮,甚至比整個銀河系都亮。遺憾的是,因為距離遙遠,碰撞發出的光需要35億年才能到達地球,也就是說,我們看到的已經是過去的景象了。


人類對黑洞的探索

萬有引力定律是艾薩克·牛頓爵士在1687年於《自然哲學的數學原理》上發表的,定律內容為:任意兩個質點通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們質量的乘積成正比,與距離的平方成反比。

這也是地球環繞太陽公轉的根本原因,在黑洞強大的引力影響下,宇宙間的物質在向著它不斷彙集,甚至連光都難以逃脫。同樣,在大質量黑洞的引力下,小黑洞開始了軌道不規則的公轉旅程。




萬有引力定律(圖源:beatricealforte)

人類對黑洞的研究由來已久。1783年,英國自然哲學家約翰·米歇爾在寫給亨利·卡文迪什的信中就提出了這樣的想法,他認為一個和太陽同等質量的天體,如果半徑只有3公里,那麼這個天體將是不可見的,因為它發出的光無法逃離其表面。

1939年,美國物理學家奧本海默基於廣義相對論理論計算得出,一顆質量超過太陽質量3倍(奧本海默極限)而又沒有任何熱核反應的“冷恆星”,一定會在自身引力的作用下坍縮成為黑洞,也就是說該恆星已經成為死亡遺骸。




首張黑洞圖片(圖源: EHT)

2014年,霍金提出觀點,由恆星爆炸產生黑洞是很不現實的,因為它們的質量不足以讓其爆炸後坍縮形成黑洞,同時還提出了新的“灰洞”理論。該理論認為,物質和能量在被黑洞困住一段時間以後,會被重新釋放到宇宙中。

新的“灰洞”理論能否挑戰經典理論的地位還需要時間的檢驗,不過有一點可以肯定,由於萬有引力的存在,小黑洞很可能會在一萬年內被吞噬。


雙黑洞系統的觀測與研究

在本次發現的雙黑洞系統中,小黑洞環繞大黑洞一圈的周期大約是12年。但是由於軌道不規則,小黑洞與大黑洞的吸積盤發生碰撞併產生耀斑的時間並不固定。有時耀斑出現的間隔只有一年,而有些時候則相隔數十年。

因此,科學家對軌道進行建模和預測耀斑發生的時間花費了幾十年的時間。2010年,科學家們建立了一個模型,可以將耀斑發生的預測範圍縮小到三周內。通過這個模型,他們成功預測了2015年12月出現的耀斑,從而證明了模型的可靠性。




雙黑洞系統環繞示意圖(圖源:NASA)

2018年,印度孟買塔塔基礎研究學院(Tata Institute Of Basic Research)的科學家進一步完善了這個模型,並且成功預測了2019年7月31日的撞擊,此次撞擊所產生的耀斑幸運地被同日進入觀測窗口的NASA斯皮策太空望遠鏡捕捉到了。

斯皮策太空望遠鏡是目前人類所擁有的最靈敏的紅外天文望遠鏡,它與哈勃望遠鏡同屬美國大型軌道天文台計劃,也是全球首個脫離繞地軌道並與地球同步運行的太空望遠鏡,這使其成為少數能在特定時間觀測到太陽背面OJ 287星系的天文望遠鏡。




斯皮策太空望遠鏡(圖源:NASA)

值得一提的是,這次碰撞的成功觀測為科學家們研究“無毛定理”提供了依據。“無毛定理”是由史蒂芬·霍金等科學家在20世紀60年代提出的,該理論預測了黑洞“表面”的性質。雖然黑洞沒有真實的表面,但科學家們認為黑洞周圍有一個邊界,超過這個邊界,任何東西(包括光)都無法逃脫。


有觀點認為,外緣即事件視界可能是起伏的,也可能是不規則的,但“無毛定理”假設“表面”沒有這樣的特徵,甚至連頭髮都沒有。換句話說,“無毛定理”認為黑洞的表面是光滑而對稱的。

而在此次觀測過程中,較小的黑洞恰好在科學家們預測的時間穿過了吸積盤,從而表明了OJ 287星系的超大質量黑洞是對稱而平滑的。不過很可惜,在這一定理被證明的時候,霍金教授已經去世了。---(科學媒介中心)



*77名諾獎得主聯名抗議這事兒,是反對將科學政治化*





▲“生態健康聯盟”網頁截圖


北美當地時間5月22日,美國77位來自醫學、物理學和化學等學科的諾貝爾獎獲得者聯名向美國政府所屬國立衛生研究院(NIH)和美國衛生及公共服務部長阿扎爾發出一封抗議信。

針對NIH停止向“生態健康聯盟”的撥款行為,科學家們表示“荒謬”,“為通過行政手段干預科學行為樹立了危險先例”。科學家們呼籲“對導致決定採取此類錯誤行為的原因進行徹底審查”,並“採取適當措施,糾正在撤銷撥款方面所可能犯下的不公正行為”。


被停止撥款或因觸犯特朗普“大忌”

“生態健康聯盟”是美國一家非營利組織,從事冠狀病毒起源研究已有20年以上歷史,迄今為止已與逾25個國家的科研機構展開了廣泛合作,其中也包括中國的武漢病毒研究所。

然而,4月24日,NIH突然停止向“生態健康聯盟”發放總額370萬美元聯邦科研經費中所剩餘的約37萬美元。

儘管在非正式場合,特朗普政府官員並不諱言,生態健康聯盟系在新冠病毒研究方面是因為“不合口味”才遭到如此對待,但在檯面上,他們還是給了個看上去煞有介事的理由——“該研究項目與NIH目標和優先事項不符”。




這顯然只是一個借口。

有消息稱,該機構在今年4月發布的一項研究報告中稱,“新冠病毒源於自然、並從動物傳播到人類”,從而觸犯了特朗普的大忌,因此遭到停止聯邦撥款的“懲罰”。

不少專業人士指出停止撥款非但不合理,而且會對繼續這項重要研究、甚至與國際研究人員充分利用、分享既有成果,構成重重製約。


值得一提的是,生態健康聯盟與武漢病毒研究所的合作項目,旨在捕捉蝙蝠等潛在宿主,收集儘可能多的、絕無僅有的冠狀病毒樣本,從而分析各類冠狀病毒疫情來源、傳播途徑。

正是這種合作,讓該組織在探究包括新冠在內、多種冠狀病毒疫情起源和傳播途徑過程中,取得了不俗成果。


正如77位科學家在聯名信中所言,生態健康聯盟與武漢病毒研究所的合作研究項目“在同行評議中被認為有極高優先級”,控制新冠肺炎疫情是當前毋庸置疑的“優先事項”,因此“必須支持這項研究”。

很顯然,如果特朗普政府把應對新冠肺炎疫情當做自己的“優先事項”,就絕不會作出這項明顯與科學精神、科學規律背道而馳的決定。


該機構的科研行為不利於特朗普“甩鍋”

當前新冠肺炎疫情肆虐全球,美國則是疫情最嚴重的國家。迄今包括美國在內,尚無任何國家擁有應對這種新型病毒和疫情的特效藥物、疫苗。

而追溯、探究病毒起源,是研製特效藥、疫苗的重要前提和鋪墊,也是人類徹底戰勝疫情所繞不過去的一道關口。

疫情一日不除,“重啟”就一日不能真正走上正軌,經濟發展、社會安定,就一日得不到保證,這其實才是所有工作的“優先事項”。


今年是美國大選年,11月3日則是大選投票日。特朗普所想所念,莫過於贏得連選連任。因此儘管理由花樣翻新,手法千變萬化,他的“優先事項”都是選舉。

但凡認為有利於勝選的,即便再怎麼“荒腔走板”也行之不疑,反之則意興闌珊,或乾脆打入“非優先事項”行列。

從目前情況看,特朗普及其團隊深知,此次新冠疫情美國遭受重創,本方應對備受質疑,“不支持率”扶搖直上,因此必須不惜一切手段,將防疫功勞歸於自己,疫情過錯、責任歸於“甩鍋對象”。


這正是問題的關鍵:頂着“純科學腦袋”的非營利組織和科學家們只顧自己的“優先事項”,卻不利於特朗普“甩鍋”。

生態健康聯盟或諾貝爾獎得主們,或許難以理解兩個“優先事項”間如此巨大的差異,也正因這兩個“優先事項”而南轅北轍。

□[姬郁文專欄作者*編輯 陳靜 校對 吳興發/新京報]



*如果愛因斯坦相對論成立的前提是錯的,那會怎樣?*






宇宙最奇怪的事情之一是,無論你在什麼條件下進行測試,它的一些基本常數數值都是恆定的,比如真空中的光速。

19世紀時,很多物理學家都測量了真空光速,發現它始終都有相同的數值(每秒299,792,458米,不過到20世紀70年代才達到這種精確度)。物理學家無法解釋這一現象,直至愛因斯坦提出相對論。


高中物理告訴我們,光以電磁波和粒子(光子)的形式傳播。愛因斯坦假設,如果物體的運動速度超過光速,那麼它會打破基本物理定律,相對來說,就呈現出靜止的電磁波。因此,為了使他的相對論能夠成立,他假設光速是恆定不變的。

愛因斯坦提出相對論之後的100年里,他做出的每個推論都被證明是正確的。但如果他對真空光速恆定不變的假設從一開始就是錯的呢?倫敦帝國學院的喬奧·馬古悠(João Magueijo)在1998年提出了這個假設。


馬古悠認為,想要解決“視界問題”這個最重要的物理學問題之一,或許就要向光速恆定不變的想法發起挑戰。

視界問題是指,早在攜帶能量的光子能夠以恆定速度到達膨脹宇宙的各個角落之前,宇宙就達到了相同的溫度。

對於視界問題,最被認可的解釋是暴脹理論。該理論認為,宇宙大爆炸發生後,在宇宙經歷快速膨脹階段之前,宇宙溫度就已經均衡了。但很多物理學家並不十分認可暴脹理論,主要是因為沒有人能解釋暴脹為何開始,又為何結束。


馬古悠在探索另一種解釋的過程中,對光速恆定不變的觀點提出了質疑。雖然拋棄物理學基石來解決其他問題的做法很是誘人,但如果沒有建立可經檢驗的假設,這種做法是不明智的。

因此到目前為止,馬古悠的假設在物理學界的接受度並不高。


但這種情況即將改變,這得益於近日發表在期刊《物理評論》上的一篇文章。馬古悠和圓周理論物理研究所的天體物理學家尼亞耶·阿肖迪(Niayesh Afshordi)一起,提出了一個可檢驗的假設。




他們認為,在宇宙誕生初期,光和引力以不同的速度傳播。如果光子的傳播速度超過引力,那麼光子就有時間到達宇宙的所有角落,從而有助於實現溫度均衡。

其他物理學家可以通過測量宇宙微波背景(CMB)輻射來驗證上述假設。CMB可以說是留存至今的早期宇宙“自畫像”。上述假設認為,CMB可以反映出光速和引力速度隨着宇宙溫度的變化而變化。


他們預測光譜指數為0.96478。根據衛星對CMB的測量,最新計算出的光譜指數為0.968。二者非常接近。但如果之後對CMB的測量顯示二者不匹配,則意味着光速確實恆定不變。那麼,馬古悠和阿肖迪的理論可以被掃進垃圾堆了。

要是對光譜指數的測量與馬古悠和阿肖迪的預測不符,那會怎樣?“那太好了,我就不必再去想這些理論了。”馬古悠說。

有一點需要我們明白,我們目前所接受的物理理論依然能解釋宇宙中的大多數現象,儘管並非全部。---(造就)



台長: 聖天使

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