Note：如何尋找黑洞

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我們都知道，黑洞之所以叫黑洞就是因為連光也無法逃出它的魔爪，這也就意味著在光學上我們沒辦法看到黑洞的模樣。那麼，基於無法看到黑洞的這個原理，很多民科跳出來表示「黑洞不存在」「科學家都是騙子」。但是，看不見不意味著不存在。

長久以來，天文學家們都抱著極大的熱情來搜尋黑洞這一看不見的怪物，下面，我將通過對恆星級黑洞的搜尋來簡單介紹一下如何尋找黑洞。

天文學家估計，在宇宙中應該存在著相當數量的黑洞，但估計畢竟只是估計，在完全看到他們之前我們也不敢保證就是對的，因為目前對黑洞的搜尋效果甚微。

其中的主要原因有兩個：

確定一個天體是否為黑洞就必須要知道這個天體的兩個量，一個是質量一個是半徑，然後把天體半徑與視界半徑相比較，當半徑小於視界半徑時，才可以確認其為黑洞。質量可以通過雙星系統的軌道運動來測量，但是半徑的測量側面臨著許多困難。從之前所講的黑洞的定義中我們可以知道黑洞視界半徑很小，遠小於星系之間的距離，在這種情況下分辨黑洞難度過大。
由於黑洞強大的引力效應，黑洞周圍都會存在著大量的星際物質（例如吸積盤），而這些星際物質往往會產生大量的輻射，從而在光學變得可見（例如《星際穿越》中的卡岡圖雅黑洞周圍就有一圈明亮的光環），而這會影響我們判斷黑洞的實際大小。

以上兩個原因也就斷了我們直接看到黑洞的念想，但是給天文學家留下了通過間接測量看到黑洞的希望。

首先恆星級黑洞指的是質量在 $3M_{odot}sim15M_{odot}$ 之間的黑洞，這種黑洞不同於目前成因未知的超大質量黑洞，它們是某些恆星「星生」的終點。

由於恆星中孤立單星在宇宙中很少，大部分恆星都是雙星系統，所以天文學家一般通過密近雙星中黑洞吸積伴星物質後發出的高能輻射（X射線和伽馬射線等）來搜尋恆星級黑洞。而這個方法面臨的最大問題就是，如何區分雙星系統中的緻密星是白矮星還是中子星，亦或是黑洞？

首先通過我之前文章的介紹我們都對黑洞吸積有了一定的了解，知道黑洞吸積伴星物質時會在黑洞周圍形成一個吸積盤，而且值得注意的是，白矮星和中子星周圍也會存在著吸積過程，也就是說，白矮星和中子星周圍也可能會出現吸積盤。

對於X射線雙星系統來說，形成系統的最低條件就是吸積盤內的氣體在吸積過程中講引力勢能轉化為輻射能的能量可以發出X射線。我們假設一個無窮遠處下落的粒子到達距緻密星中心 $r$ 處時發出輻射，能量轉化效率定義為 $eta=frac{E}{mc^{2}}simfrac{GM}{rc^{2}}=frac{1}{2}frac{r_{g}}{r}$ ，其中 $E$ 為引力勢能， $mc^{2}$ 為粒子靜能， $r_{g}$ 為黑洞視界半徑。

將白矮星的半徑和視界半徑代入，可以發現白矮星的能量轉化效率僅有區區萬分之幾，而之前在黑洞吸積理論簡介一文中我們計算過核反應的效率都有 $0.7%$ ，很明顯這麼低的效率是無法產生X射線的，只可能會產生可見光和紫外輻射。

而同理，中子星的效率和黑洞的效率基本都在 $10%$ 左右甚至更高。這就首先排除了白矮星的可能性。

現在我們來區分中子星和黑洞。一個簡單的方法就是，中子星通常都是脈衝星，也就是說，如果在雙星系統中觀測到了X射線脈衝現象，那就可以確定這個緻密星是中子星而不是黑洞。另外還有個方法，就是由於中子星中的吸積物質會在表面堆積，這也意味著中子星中會產生間歇性再生的X射線暴，而由於黑洞沒有固態表面，所以物質無法堆積，那麼如果雙星系統中觀測到了X射線暴，且X射線暴是間歇可再生的，這也意味著該緻密星很大可能是中子星而不是黑洞。

但是我們的目的是尋找黑洞，而不是尋找中子星，這時候可能有人會問，如果緻密星中沒有觀測到X射線脈衝和間歇性再發的X射線暴，那麼這個緻密性是不是黑洞呢？答案是不一定。因為中子星也有可能不是脈衝星，而且有的吸積盤（中子星和黑洞都有）也會產生間隙性再發的X射線暴或者持續性的X射線暴。那麼我們應該如何來區分呢？

目前天文學家一般是通過緻密星的質量來區分的，天文學通過計算髮現中子星的質量上限是 $3M_{odot}$ ，如果緻密星超過這一上限，那麼必為黑洞。

這時候可能又有人要問了，既然這麼容易區分，那為什麼開頭還說「效果甚微」呢？

很簡單，我們不可能直接測定雙星系統中的緻密星質量，只能利用可見子星的譜線移動來得到其軌道參數，然後通過開普勒定律來計算雙星的總質量，最後通過一系列的比較關係來估計緻密星的質量，這一系列操作存在著很大的誤差，而且之前提到緻密星周圍通常會有明亮的吸積盤，這也就意味著可見子星的光譜容易被吸積盤的光譜所掩蓋。這也是為什麼理論上黑洞很多，但是被確定為黑洞的天體卻很少的原因。

說句題外話，今天凌晨的時候NASA的最新研究成果表明可以通過AI的深度學習來處理大數據，而且效率很高，希望在不遠的將來可以將這種方法應用到對黑洞的搜尋上來（當然這也就意味著很多天文學家要失業了）。

參考文獻：

向守平. 天體物理概論[M]. 中國科學技術大學出版社, 2008.

P.S.這應該是今年的最後一次更新了，從下周開始到明年的1月5號（三周），我將把大部分精力用在複習準備期末考試上，也就是說我將斷更三周。

P.P.S.昨天收到了知乎官方的私信，說由於我這一年在知乎的分享，將送我一份小禮物，我是受寵若驚的，畢竟我只是一個接觸天文接觸黑洞不到半年的本科生而已，文章和回答中不乏錯誤，我覺得我現在也就是勉強可以夠得上天文專業大一學生的水平，在此感謝引我走上天文之路的二位學姐 @葉攻和 @李雨珊的幫助，以及幫我矯正過回答和文章的 @厲岳洲、 @白書旭、 @Yeoman ，也感謝在某物理群中雖然認識不久也素未謀面但是在科研學習過程中給我極大鼓勵的 @清清清清清、 @Narayan 、 @蔡家麒、 @solomon 、 @SFWZ 、 @paid Pay 、 @聖劍騎士、 @the N ，難免有疏漏，請見諒。

P.P.P.S.明年也請多多指教。