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天文在线|黑洞是如何被发现的？

“天文学家是如何发现第一个黑洞的？由谁发现的？何时发现？请解释一下第一个黑洞如何被发现 。 ”
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没有哪一位天文学家可以独领发现黑洞的荣誉 。 在解释天文学家如何发现黑洞存在的迹象之前 ， 有必要了解两条重要的物理学背景知识 。
任何高于绝对零度（-273摄氏度）的天体都会发射出热能 ， 辐射的峰值波长取决于天体的温度 。 例如 ， 太阳的表面温度大约6000开 ， 所以当它的排放达到峰值时 ， 会以绿光的形式呈现出来 。 如果一个天体的温度在100万度左右 ， 它的峰值发射就会是X射线 。
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2.恒星通常因与热气压力和辐射压力有关的引力而免于坍缩 。 但是 ， 一旦热能来源（核聚变反应）切断 ， 恒星就会坍缩 。 事实证明 ， 当恒星变得越来越致密时 ， 除了气体压力 ， 还有其它力量会抵消引力 ， 比如直径仅为10公里的中子星 。 但天体物理学家钱德拉塞卡尔证明 ， 一旦恒星超越了一个最大质量 ， 将没有任何东西可以与引力抗衡 。 因此 ， 如果我们在太空中发现了一个致密天体 ， 其质量超过了临界质量 ， 我们就可以确定这是一个黑洞 。
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图解：被银河中心黑洞扯碎的气体云（2006年、2010年和2013年的观测结果分别是以蓝色、绿色和红色表示）图源：wiki
现在回到寻找黑洞的问题上：如果没有东西能逃离黑洞 ， 黑洞又如何被发现呢？试想一个双星系统 ， 一个是黑洞 ， 另一个是正常恒星 。 如果正常恒星的包层极度接近黑洞 ， 黑洞猛烈的引力就会抽走正常恒星的气体 ， 将其撕碎、吞噬 。
然而 ， 由于角动量守恒 ， 气体不会直接陷入黑洞 ， 必须围绕它运行一段时间 ， 才会被吸进去 。 所以 ， 黑洞周围形成了一个盘状结构 ， 气体被黑洞缓慢吸收 。 当气体绕圆盘轨道运行时 ， 它的温度会上升到几百万度 ， 发出光谱中X射线部分的辐射（根据以上第一条注释） 。 所以 ， 当我们在空中探测到X射线源 ， 就说明该处存在加热到几百万度的气体 ， 而黑洞周围的吸积盘就是实现这一点的机制之一 。
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【天文在线|黑洞是如何被发现的？】如果发出X射线的系统是一个双星系统 ， 那么就可以证明其中一颗恒星是一个致密天体（中子星或黑洞） 。 双星系统对天文学家的研究非常有用 ， 它可以帮助我们测量出系统中恒星的质量（根据开普勒定律） 。 如果致密天体的质量超过了上述提到的临界质量 ， 就可以确定它是一个黑洞 ， 以上便是发现黑洞的方式 。
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图解：天鹅座X-1的X射线图源：NASA
现在来看看实际发现：上世纪70年代初 ， 一个很强的X射线源于天鹅座被发现 ， 被命名为天鹅座X-1 。 随着时间推移 ， 1972年春 ， 天鹅座X-1被认为是一颗恒星 ， 编号为HDE226868（为射电源） 。 很快就证实它是一个周期约为5.6天的双星系统 。
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图解：艺术家对HDE226868-天鹅座X-1双星系统的意想图图源：ESA/Hubbleillustration
根据狭义相对论 ， 任何东西的传播速度都无法超过光速 。 因此 ， 在光从其一端到达另一端所需的时间内 ， 一个天体不能改变它的光度 。 对天鹅座X-1的分析显示 ， 如果天体放射的光度变化在时间上短至千分之一秒 ， 该天体则只有几千公里宽 。 所以 ， 证据表明其中一个恒星是致密星 。 最后 ， 天文学家利用双星系统确定了致密星的质量 ， 发现它大于临界质量 ， 极有可能是一个黑洞 。 这是宇宙中第一个被发现的黑洞 。


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