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吸積盤 近光速自轉(zhuǎn)、迄今最重的恒星級黑洞，獨家專訪發(fā)現(xiàn)者茍利軍( 二 )


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2019年4月10號人類的第一張黑洞照片，甜甜圈般的圓環(huán)，其實是黑洞伴星氣體所產(chǎn)生的現(xiàn)象，而黑洞區(qū)域被稱為黑洞陰影
“發(fā)現(xiàn)”背后的“原理”作為深空最漆黑的天體，黑洞的質(zhì)量和轉(zhuǎn)速，分別是如何測出的？
黑洞的質(zhì)量并不難被測得。在黑洞周圍，往往存在著伴星或者氣體，并以黑洞為中心進(jìn)行繞轉(zhuǎn)。
和太陽與各行星的關(guān)系一樣，科學(xué)家只需測出伴星或者氣體繞轉(zhuǎn)的速度以及與黑洞的距離，再代入著名的開普勒公式，便可得出黑洞的質(zhì)量。
天文學(xué)中，這屬于一種動力學(xué)方法，得出的答案最為精確，但也有其局限性，那就是它對天文觀測的分辨率有一定的要求。
當(dāng)分辨率不能滿足要求時，科學(xué)家也會用統(tǒng)計學(xué)方法。即查看黑洞周圍氣體或者恒星的各種特性，如運動速度、亮度等，看它們與黑洞的質(zhì)量有沒有相關(guān)性，然后再用這些相關(guān)性推斷黑洞質(zhì)量。至于相關(guān)性是否可靠，就有待于觀測的具體驗證。
但想要測量黑洞的自轉(zhuǎn)速度，難度就要大得多。
雖然黑洞的質(zhì)量和轉(zhuǎn)速都會對其周圍的空間、天體運動產(chǎn)生影響，但后者的效應(yīng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前者。
以恒星級黑洞為例，伴星通常位于黑洞之外幾百萬公里的軌道上，還是能夠利用先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡分辨出其軌道變化，而自轉(zhuǎn)的效應(yīng)僅僅局限在距離黑洞幾百公里的范圍內(nèi)——即便是目前地球上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，包括拍攝到黑洞照片的望遠(yuǎn)鏡，也分辨不了這個距離。
因此，科學(xué)家必須另辟蹊徑。
吸積盤氣體溫度為科學(xué)家們提供了一些線索。離黑洞越近的氣體，溫度會越高，甚至能達(dá)到幾千萬度，而它們的特性也會有所不同。借助X射線空間望遠(yuǎn)鏡探測到這類細(xì)小的差別，科學(xué)家可以推斷出它周邊黑洞的轉(zhuǎn)速。


吸積盤 近光速自轉(zhuǎn)、迄今最重的恒星級黑洞，獨家專訪發(fā)現(xiàn)者茍利軍
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不同轉(zhuǎn)速對黑洞光譜的影響圖，圖自NASA
“理論上講，不同轉(zhuǎn)速的黑洞會對吸積盤氣體的輻射光譜、溫度等物理量造成不一樣的影響，那么我們就可以根據(jù)這些氣體的一些物理量，通過拍攝并且分析光譜來推算黑洞的轉(zhuǎn)速。”茍利軍說。這次就是通過稱為“連續(xù)譜擬合“的方法對于黑洞的自轉(zhuǎn)速度進(jìn)行了限定。
測量黑洞自轉(zhuǎn)速度的方法不僅只有上述的一種，通常應(yīng)用的還有通過一些吸積盤發(fā)射線擬合的方法。吸積盤除過連續(xù)輻射之外，吸積盤中的氣體還可能產(chǎn)生一些發(fā)射線。
原子在發(fā)生“電子躍遷”（指粒子中電子的一種能量變化）時會吸收或者釋放光子，形成發(fā)射線。由于不同元素的電子軌道不同，其發(fā)射線也是獨一無二——這就像一個“身份證”，從而幫助科學(xué)家辨識宇宙中不同的物質(zhì)。


吸積盤 近光速自轉(zhuǎn)、迄今最重的恒星級黑洞，獨家專訪發(fā)現(xiàn)者茍利軍
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這些發(fā)射線的光子在逃離黑洞的過程中，必然會受到周圍黑洞的引力影響。
為了擺脫引力繼續(xù)移動，光子會“耗費”一部分的能量，進(jìn)而使得其電磁輻射的頻率變低、波長變長，其發(fā)射線會朝紅端移動，稱之為“引力紅移”。所以譜線的形狀也攜帶了黑洞自轉(zhuǎn)的信息。


吸積盤 近光速自轉(zhuǎn)、迄今最重的恒星級黑洞，獨家專訪發(fā)現(xiàn)者茍利軍
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“聰明的科學(xué)家會想出很多不同的方法去測量看似不太可能的事情。不同的方法在一定程度上也可以彼此驗證。”茍利軍說。
“發(fā)現(xiàn)”背后的“科學(xué)家”15個人的班級，最后只剩3個人Q：天文是一門小眾學(xué)科，您是怎么踏上這條天文研究道路的？
茍利軍：我想起七八年前，《Nature》天文雜志的主編和我聊起一個有趣的統(tǒng)計：90%的小朋友都對兩樣?xùn)|西感興趣，一個是恐龍，另一個是星空。我也曾是這些小朋友之一。
恐龍和星空，都屬于特別遙遠(yuǎn)的時空，一個來自幾億年前的地球，一個來自數(shù)十億光年外的宇宙，因為遙遠(yuǎn)，所以更充滿了浪漫的遐想空間。
想到自己的左手來自幾十億年前爆炸的恒星，而右手來自另一個星系殘留的塵埃，自己的身體默默記錄了宇宙的痕跡，對宇宙也就更多了一份好奇。
上初中的時候，家里給我買了一臺望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)時的條件不太好，那臺望遠(yuǎn)鏡，其實比四個世紀(jì)前伽利略的第一臺天文望遠(yuǎn)鏡還要簡陋一些，鏡筒都是很多層紙卷在一起做成的，但對當(dāng)時的我來說是如獲至寶，我每天都會拿著它東瞧西望觀察星空。
雖然家里沒有給予我太多經(jīng)濟(jì)上的支持或培養(yǎng)，但精神上，他們一直很尊重和鼓勵我對星空的喜愛，給我很多空間做自己的決定。

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