牧夫天文网 › 首页 ›天文書庫› 天文知识 › 查看内容

【天文宇宙】霍金黑洞定理首次得到观测证实事件视界面积永不减少;NASA可能已经找到哈勃望远镜有效载荷计算机问题的根源

2021-7-9 12:50| 发布者: xxxxxxxxx| 查看: 13982| 评论: 0

摘要: ▼霍金黑洞定理首次得到观测证实事件视界面积永不减少天文学家绘制出北方星团高清图像：“物质之路”上星系即将发生碰撞计算机模拟显示气体海啸可能逃离超大质量黑洞NASA“好奇号”团队试图解开火星甲烷之谜NASA可 ...

▼

霍金黑洞定理首次得到观测证实事件视界面积永不减少
天文学家绘制出北方星团高清图像：“物质之路”上星系即将发生碰撞
计算机模拟显示气体海啸可能逃离超大质量黑洞
NASA“好奇号”团队试图解开火星甲烷之谜
NASA可能已经找到哈勃望远镜有效载荷计算机问题的根源
蓝色起源号火箭将为美国传奇女飞行员提供她期待已久的太空之旅
詹姆斯·韦伯太空望远镜通过了关键的发射许可审查
NASA正向月球发送一个极地寻水的探测器VIPER
“毅力号”火星漫游车将进行首次自动驾驶与导航
人工智能发现日冕洞以实现空间天气预测的自动化

关注视频号，发现更多精彩

霍金黑洞定理首次得到观测证实事件视界面积永不减少

知名理论物理学家史蒂芬·霍金，在 1971 年推导出了黑洞事件视界（任何物体都无法逃脱的边界）的总面积永远不会减少的定理。而基于引力波的最新观测研究，已经首次证实了这点 —— 即使是宇宙中最极端的物体，也被发现遵守着特定的规则。

计算机模拟产生引力波信号的 GW150914 黑洞（来自：LIGO / SXS 项目）在 2021 年 7 月 1 日发表于《物理评论快报》上的新文章中，研究人员仔细观察了 GW150914 的引力波，它由激光干涉引力波天文台（LIGO）于 2015 年首次观测到。霍金面积定理指出，新生黑洞的视界面积，不应小于母黑洞的视界总面积。而在这项新研究中，物理学家重新分析了宇宙碰撞前后来自 GW150914 的信号。

研究配图 - 1：GW150914 重建两个黑洞用引力波的形式，揭示了其在时空中振荡的巨大能量。而新研究发现，合并后的事件视界的总面积确实没有减少，且这份报告的置信度高达 95% 。这项新发现，标志着霍金面积定理首次得到了直接的观测证实。此前该定理已经得到了数学上的证明，但我们距离自然界的观察得证，等待了整整 50 年。之后研究团队还打算对未来的引力波信号展开同样的观察，看它们能否进一步证实霍金定理、还是曝出可能违反物理学定理的特殊案例。

研究配图 - 2：GW150914 合并前后的视界面积变化研究一作、麻省理工学院（MIT）卡弗里天体物理和空间研究所的美国宇航局爱因斯坦博士后研究员 Maximiliano 表示：

我们可以想象这么一个动物园，它由不同致密的天体所组成。其中一些遵循着爱因斯坦和霍金的黑洞定理，但也有可能存在其它特立独行的野兽。所以我们不能仅凭这一次的观测结果就妄下定论，本次研究不是终点，而是意味着一个新的开始。

研究配图 - 3：不同时间截断的测量研究合著者中还包括了来自石溪大学兼 Flatiron 研究所计算天体物理中心的 Will Farr、康奈尔大学的 Matthew Giesler 和 Saul Teukolsky、以及加州理工学院的 Mark Scheel 等人。1971 年的时候，史蒂芬·霍金提出了这个面积定理，引发了一系列有关黑洞力学的基本见解。该定理预测黑洞事件视界的总面积（适用于宇宙中的所有黑洞），是永久不会减少的。然而这个与热力学第二定律奇怪地平行的表述 —— 即物体内部的无需程度（熵）也不应减少 —— 还是让许多圈外人感到费解。

研究配图 - 4：从 GW150914 数据的不同部分推断出来的红移残余和无量纲自旋两种理论之间的相似性，表明了黑洞可表现为散发热量的物体。尽管此前不少人认为黑洞永远不会让能量逃逸或辐射出来，但霍金最终还是在 1974 年将之很好地融会到了一起。他表示，如果考虑到量子效应，黑洞可能具有熵、并在很长的时间尺度上放出辐射。这种现象又称“霍金辐射”，目前仍是与黑洞有关的最基本的启示之一。感兴趣的朋友，可移步至本月最新出版的《物理评论快报》（Physical Review Letters）查看全文，原标题为《Testing the Black-Hole Area Law with GW150914》。https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.011103

天文学家绘制出北方星团高清图像：“物质之路”上星系即将发生碰撞

一支国际天文学家小组近日创建了一张“北方星团”（Northern Clump）的高清图像，展示了这个以黑洞为中心的星系团以及在星系之间隐藏的“road of matter”（物质之路）。这些发现也支持了现有的关于宇宙起源和演变的理论。

在整个宇宙中，有薄薄的气体道路连接着星系团，这个概念直到最近才被证实。由于这些“道路”中物质实在是太稀少了，因此躲过了最敏感仪器的观察。在 2020 年发现一条至少 5000 万光年的星系间气体线之后，科学家近日再次绘制了“北方星团”的高清图像，重点突显了该星系团周围的气体线。结合 CSIRO 的 ASKAP 射电望远镜、SRG/eROSITA、 XMM-Newton 和 Chandra 卫星，以及 DECam 光学数据等不同来源的图像，科学家们可以在星团的中心看到一个大型星系，其中心有一个黑洞。在昨晚的新闻发布会上，来自波恩大学 eROSITA 团队介绍了他们对该星团的观测结果，该星团似乎正在高速移动。该研究的主要作者，来自波恩大学 Argelander 天文学研究所的 Angie Veronica 说：“物质的喷流在它身后流出，就像一个跑步的女孩的辫子”。为这项研究提供 ASKAP 数据的 EMU 项目的负责人，麦考瑞大学澳大利亚天文光学系的安德鲁·霍普金斯教授说：“ASKAP望远镜对微弱的扩展射电发射的卓越灵敏度是允许探测到来自超大质量黑洞的这些射电喷流的关键。这些射流的形状和方向又为承载黑洞的星系的运动提供了重要线索”。波恩大学的 Thomas Reiprich 教授说："我们目前对这一观测结果的解释是，北方星团在旅行过程中正在失去物质。然而，也可能是线上更小的物质团块正在向北方团块坠落"。总的来说，这些观测结果证实了理论上的观点，即气体丝是一条星系间的物质之路。北部星团正沿着这条道路高速向另外两个更大的星系团移动，这两个星系团叫做Abell 3391和Abell 3395。

计算机模拟显示气体海啸可能逃离超大质量黑洞

我们都知道什么是海啸。在地球上，它们通常发生在水下地震或火山爆发导致海水移位，从而引发巨大的海浪，在陆地上造成破坏并导致死亡。天体物理学家最近使用计算机模拟显示，超大质量黑洞可以创造类似海啸的结构，在深空形成巨大的规模。由超大质量黑洞创造的海啸是由逃离黑洞引力的气体组成。研究人员认为，黑洞周围的环境可能承载着整个宇宙中最大的海啸状结构。黑洞是神秘的，全世界的科学家都在努力描述黑洞是如何扭曲环境的，即使是在离黑洞多光年的地方。

质量大于一百万个太阳的黑洞从银河系中心的周围圆盘中吸收物质，当这一过程正在进行时，该系统被称为活动星系核。研究人员认为，活跃的星系核可能在两极有相对喷流，并且有固定的物质云挡住了黑洞周围中心活动的视野。然而，等离子体在圆盘上方循环，刚好不会落入黑洞，而黑洞会发出极其明亮的光芒和X射线，使天文学家能够对超过一百万的物体进行编目。研究人员认为，由强辐射驱动的强风，在一种被称为 "外流"现象中从中心区域流走。研究人员正试图了解在黑洞的事件视界附近和产生X射线的地方，气体与X射线的相互作用。X射线发射出的外流可以解释黑洞周围被称为云的各种密度区域。这些云的温度是太阳表面的十倍，并以太阳风的速度移动。该小组首次证明了中央黑洞流出的云层是多么复杂。模拟显示，就在超大质量黑洞对周围物质失去引力的距离内，旋转圆盘中相对冷的大气可以形成类似于地球上海洋表面的波。然而，科学家们认为，当海啸形状的云层形成时，它们已经不再受到黑洞引力的影响了。研究人员希望利用模拟结果和观测天文学家的工作，在深空寻找动力学的迹象。

NASA“好奇号”团队试图解开火星甲烷之谜

在火星上，甲烷是神秘的东西。科学家们一直对来自火星的甲烷读数感到困惑，而美国宇航局（NASA）可能离弄清这颗红色星球上的甲烷之谜又近了一步。事实证明，一天中的时间对甲烷的探测有很大的影响。

甲烷特别引人注意，因为它可能是生物的副产品，包括微生物。研究人员正试图找出火星是否曾经有微生物生命，或者微生物是否可能在那里生存。但是甲烷也可以有地质学上的来源。红色星球上甲烷的奇怪之处在于，NASA的“好奇号”探测器在盖尔陨石坑的地表附近检测到了这种气体，但欧洲航天局的ExoMars Trace Gas Orbiter航天器却没有在大气层的高处发现甲烷。那么发生了什么？“好奇号”的可调谐激光光谱仪（TLS）是其火星样品分析系统的一部分，基本上是一个便携式化学实验室。通常情况下，TLS检测到的少量甲烷被NASA描述为“相当于在一个奥林匹克大小的游泳池中稀释了大约一撮盐”。在2019年，TLS明显地检测到甲烷水平的一个相当大的峰值。

2016年抵达火星的ExoMars轨道器一直没有发现“好奇号”所检测到的东西。“但是当欧洲团队宣布没有发现甲烷时，我绝对感到震惊，”TLS仪器负责人Chris Webster周二在NASA的声明中说。这种差异可能归结于轨道器和漫游车每天工作的时间。漫游者上的耗电的TLS在夜间工作，所以它不会与其他仪器发生冲突。轨道器在白天进行探测，因为它有阳光的帮助。可能发生的情况是，甲烷在平静的夜晚聚集在地表附近，并在白天消散，使航天器看不到它。“好奇号”团队通过在白天测量甲烷来测试这个想法，的确，气体在白天消失了。研究人员周四在《天文学和天体物理学》杂志上发表了他们的发现。虽然一个甲烷之谜可能有了解释，但另一个气体难题仍然存在。NASA仍在试图理清“火星上的全球甲烷难题”。从火星陨石坑中释放的甲烷应该保持足够的稳定性--并在大气中积累足够多--以便被痕量气体轨道器探测到。科学家们现在正在研究可能破坏甲烷的因素。Webster说：“我们需要确定是否有一个比正常情况下更快的破坏机制，以完全协调来自火星车和轨道器的数据集。在那之前，火星甲烷仍将是一个谜。”https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2021/06/aa40030-20.pdf

NASA可能已经找到哈勃望远镜有效载荷计算机问题的根源

修复哈勃太空望远镜的努力仍在继续，美国宇航局（NASA）发现了一小部分老化的硬件，这些硬件可能会阻止这个标志性的仪器重新启动。问题开始于6月中旬，在哈勃的有效载荷计算机出现问题后，哈勃将自己置于安全模式中。NASA表示，望远镜本身仍处于良好的健康状态。

安全模式，顾名思义，是一种保护状态，望远镜的仪器可以被锁定，防止它们被无意中损坏。问题是，当它们处于这种状态时，它们不会进行任何实际的实验或收集数据。要做到这一点，有效载荷计算机需要发挥作用，但作为硬件，它并不完全是最先进的。事实上，NASA标准航天器计算机-1-或NSSC-1-的核心是在20世纪80年代建造的，并基于70年代的设计。在当时，它是一项尖端的努力，旨在使太空硬件标准化，并大大降低像Solar Maximum任务和Landsat-D任务这样的项目的成本。现在，经过几周的测试，NASA认为它已经确定了这次最新“死机”的中心缺陷。“计算机问题的根源在于科学仪器指挥和数据处理（SI C&DH）单元，即有效载荷计算机所在的地方，”NASA的哈勃团队解释说。“SI C&DH上的一些硬件可能是罪魁祸首。”

不过，知道可能的原因和实际修复它是两个截然不同的问题。目前的重点是试图了解是命令单元/科学数据格式化器（CU/SDF）--负责发送和格式化命令和数据--还是电源控制单元内的电源调节器（用于确保对有效载荷计算机硬件的稳定电压供应）出现了问题。解决任何一个问题都将是一个挑战。“如果这些系统之一被确定为可能的原因，团队必须完成一个更复杂的操作程序，以切换到备用单元，”NASA解释说。“这个程序将比团队上周执行的程序更复杂，风险也更大，因为它涉及到切换到备用有效载荷计算机硬件和内存模块。为了切换到备份CU/SDF或电源调节器，航天器上的其他几个硬件盒也必须被切换，因为它们与SI C&DH单元的连接方式。”为了了解这是否真的有必要--或者甚至可能有帮助--NASA计划事先进行新的模拟。这并不是第一次发生这样的切换，早在2008年，哈勃就在CU/SDF模块之间一路翻转，以便绕过一个损坏的单元。2009年的维修任务随后更换了整个SI C&DH单元。然而，随着航天飞机项目的退役，以及目前没有相应的准备工作，这种维修对哈勃来说根本不是一个选择。虽然NASA正在准备一个新的仪器——更强大的詹姆斯·韦伯太空望远镜，但它最早也要到2021年晚些时候才会发射。因此，就目前而言，哈勃的命运取决于如何修复几十年前的技术，以免望远镜的运行不合时宜地结束。

蓝色起源号火箭将为美国传奇女飞行员提供她期待已久的太空之旅

杰夫贝索斯将在本月晚些时候带着沃利芬克参加蓝色起源的首次载人飞行，这位美国标志性的飞行员终于有机会进入太空。蓝色起源公司一直在逐步公布7月20日发射的乘员名单，届时贝索斯、他的兄弟和一位迄今未透露姓名，花费数百万美元购票的用户将在太空中体验大约4分钟。

这是一次相对简短的飞行，从起飞到着陆只有大约10分钟，但对蓝色起源来说是一次重要的飞行。7月20日的发射不仅证明了其火箭的功能和安全性，而且证明了太空旅游作为一种可行商业行为的合法性，也将给贝索斯提供他显然渴望已久离开地球大气层的机会。当然，这不是这位亚马逊创始人一个人的想法。沃利芬克是一位传奇的美国飞行员，她是水星13号宇宙飞船预备成员，也是俄克拉荷马州西尔堡第一位女性平民飞行教官，也是联邦航空局的第一位女性检查员，她教过成千上万的人飞行，并在70年代中期成为国家运输安全委员会的第一位女性航空安全调查员。然而，正是她对太空的渴望使她在蓝色起源的第一次发射中获得了一个位置。

贝索斯在他的Instagram上确认了沃利芬克将与他和蓝色起源的其他成员一起飞行，并对这位著名的飞行员进行了简短的采访。这是一份昂贵的礼物，蓝色起源公司为火箭上的一个座位进行慈善拍卖的获胜者要支付2800万美元，该公司在6月底证实了这一点。如果一切按计划进行，新谢泼德航天器将于7月20日发射。它将迅速加速，起飞后大约两分钟达到约3马赫以上，三分钟后，乘员舱将与助推器分离。一旦它通过卡尔曼线，它将被视为进入太空，即地球平均海平面以上62英里（330000英尺）的边界。

不过，在那里花的时间不会很多。新谢泼德号将在零重力状态下度过几分钟，然后开始下降，降落伞计划在9分钟左右展开。在首次发射大约10分钟后，它将再次着陆，这是蓝色起源的一个重要步骤，也是瓦利芬克几十年来等待的结果。

詹姆斯·韦伯太空望远镜通过了关键的发射许可审查

詹姆斯·韦伯太空望远镜已经通过了最后的任务分析审查，可以在法属圭亚那的欧洲太空港用阿丽亚娜5号火箭发射。与韦伯发射服务提供商阿丽亚娜航天公司一起进行的这一重要里程碑，确认了阿丽亚娜5号、韦伯航天器和飞行计划已经准备好发射，运载火箭和航天器的所有方面都完全兼容。

在发射过程中，航天器会经历一系列的机械力、振动、温度变化和电磁辐射。阿丽亚娜航天公司对任务的关键方面进行的所有技术评估，包括发射轨道和有效载荷分离，这些都显示出积极的结果。欧空局韦伯项目负责人彼得-鲁姆勒说："我们很高兴通过了发射韦伯的这一重要步骤，并获得了阿丽亚娜航天公司和美国国家航空航天局的绿灯。"阿丽亚娜5号已经进行了定制，以适应韦伯任务的所有具体要求。新的硬件确保整流罩底部的通风口保持完全开放。这将最大限度地减少整流罩脱离运载火箭时的减压冲击。韦伯的一些元素对来自太阳的辐射和大气的加热很敏感。为了在整流罩被抛弃后保护它，阿丽亚娜5号将执行一个专门开发的滚动动作，以避免望远镜相对于太阳的任何固定位置。此外，阿丽亚娜5号上还安装了一个额外的电池，以便在望远镜释放后为上级提供动力，使其与韦伯保持距离。韦伯将是有史以来发射到太空的最大、最强大的望远镜。作为国际合作协议的一部分，欧空局正在使用阿丽亚娜5号运载火箭提供该天文台的发射服务。欧空局与合作伙伴合作，负责开发和鉴定阿丽亚娜5号为韦伯任务所做的调整，并负责采购发射服务。

阿丽亚娜5号将把望远镜直接送入一个精确的转移轨道，向其目的地--第二拉格朗日点（L2）飞去。与发射装置分离后，韦伯将继续其为期四周的旅程，独自前往L2。L2比月球远四倍，在远离太阳的方向上距离地球150万公里。欧空局的任务分析专家帮助计算了发射窗口，这是一个复杂的问题，因为它涉及到确保韦伯能够被推入其目标轨道，同时阿丽亚娜5号上面级将安全地脱离地球。该望远镜将在近红外和中红外--比可见光更长的波长中观察宇宙。为此，它携带了一套最先进的相机、摄谱仪和日冕仪。欧空局在韦伯任务中发挥了关键作用。除了采购阿丽亚娜5号发射装置和发射服务外，欧空局还提供NIRSpec仪器和MIRI仪器的50%份额，以及支持任务运行的人员。韦伯是美国宇航局、欧空局和加拿大航天局（CSA）之间的一个国际合作伙伴。韦伯的合作伙伴正在为2021年10月31日的发射准备日期而努力。10月31日之后的准确发射日期取决于太空港的发射时间表，并将在接近发射准备日期时最终确定。

NASA正向月球发送一个极地寻水的探测器VIPER

当NASA计划在2024年将宇航员送回月球时，其目标超越了短期探险，航天局希望为长期探索任务播下种子。但是，要将重回月球从梦想变为现实，人类需要一点帮助。这就是为什么一个名为VIPER的机器人要先去探探路。

美国宇航局正在对其设计的火山调查极地探测车（VIPER）进行最后的优化。2023年，该机构将把这个高尔夫球车大小的机器人送到月球南极，以执行为期100天的任务，寻找月球表面以下的冰层。科学家们希望了解未来的任务是否能从冰层中获取水，并将其作为一种资源。VIPER项目经理丹-安德鲁斯（Dan Andrews）表示：我们要么从地球上带来一切，这是我们的退路，要么我们实际上可以通过利用那里的自然条件，在当地就地取材开始生活。安德鲁斯还领导了月球陨石坑观测卫星（LCROSS）任务，该任务证实了月球南极存在冰。只是不清楚这些水的确切位置，或者存在多少，而这就是VIPER的作用。该探测器仍处于原型阶段，但美国宇航局计划为可执行任务的VIPER配备一个钻头和多个光谱仪，以寻找、提取和研究月球表面以下的潜在水资源。美国宇航局授予月球物流公司Astrobotic一份价值近2亿美元的合同，在其格里芬月球登陆器中提供VIPER探测器，格里芬着陆器将搭载SpaceX的猎鹰重型火箭发射。

“毅力号”火星漫游车将进行首次自动驾驶与导航

自从毅力号火星车登陆火星以来，它一直由一名在地球上工作的司机驾驶着绕行火星表面。这些司机戴着特殊的3D眼镜，以便在漫游车在红色星球表面巡游时，能够更好地看到漫游车需要避开的障碍。然而，美国宇航局设计的毅力号比过去的漫游车更加自主。

毅力号漫游车有一个集成的自动导航系统，称为AutoNav。该系统制作前方地形的三维地图，识别危险，并规划绕过任何障碍物的路线，而不需要地球上的控制人员提供数据。美国宇航局高级工程师、漫游车规划师和司机Vandi Verma（见下图）说，漫游车有一种被称为 "边驾驶边思考"的能力，这意味着漫游车在车轮转动的同时也在思考自主驾驶的问题。这种能力和其他改进可以使毅力号的最高速度达到每小时393英尺。毅力号并不是美国宇航局第一个配备自动导航系统的漫游车。好奇号使用的是该功能的旧版本，只能达到每小时66英尺的速度。更高的速度使漫游车可以走得更远，有助于提高科学研究的效率。改进的导航能力也使火星车能够穿过更复杂的地形，而不是绕过它，这是美国宇航局以前无法做到的。穿越更复杂的地形将使漫游车能够在更短的时间内做出更多的发现。然而，美国宇航局很清楚，"毅力号"不能单独使用自动导航系统，它将始终需要地球上的一个操作团队。地球和火星之间的无线电信号延迟使人类操作员无法实时控制火星车。相反，该团队有时使用特殊的眼镜来研究火星车附近的火星表面的卫星图像。这些调查有助于规划路线，随后将其发送给火星车执行。

人工智能发现日冕洞以实现空间天气预测的自动化

来自奥地利格拉茨大学、Skoltech公司的科学家和他们来自美国和德国的同事开发了一个新的神经网络，能够可靠地从天基观测中检测日冕孔。这一应用为更可靠的空间天气预测铺平了道路，并为太阳活动周期的研究提供了宝贵的信息。这篇论文发表在《天文学与天体物理学》杂志上。就像我们在地球上的生命依赖于太阳的光一样，我们的电子 "生命"也依赖于我们最接近的恒星的活动以及它与地球磁场的相互作用。对于人眼来说，太阳看起来几乎是恒定的，但太阳非常活跃，经常出现爆发，并在地球上引起地磁暴。由于这个原因，太阳外层的大气层，即日冕，一直被基于卫星的望远镜所监测。在这些观察中，其中一个突出的特征是被称为日冕洞的延伸黑暗区域。它们看起来很暗，因为等离子体粒子可以沿着磁场从太阳表面逃到行星际空间，在日冕中留下一个 "洞"。逃逸的粒子形成了高速的太阳风流，最终可以击中地球，引起地磁暴。这些洞在太阳上的出现和位置随太阳活动的变化而变化，也给我们提供了关于太阳长期演变的重要信息。格拉茨大学的研究科学家、该研究的主要作者Robert Jarolim说："检测日冕洞对传统算法来说是一项困难的任务，对人类观察者来说也是一项挑战，因为太阳大气中还有其他黑暗区域，如丝状物，很容易与日冕洞混淆。"在他们的论文中，作者描述了一个被称为CHRONNOS（多光谱数据上的日冕洞识别神经网络）的卷积神经网络，他们开发了这个网络来检测日冕洞。Jarolim说："人工智能使我们能够根据日冕洞的强度、形状和磁场特性来识别它们，这与人类观察者考虑的标准相同。"在不同的波长下观察，太阳大气显得非常不同。格拉茨大学教授、该出版物的共同作者Astrid Veronig补充说："我们使用在不同极紫外（EUV）波长下记录的图像以及磁场图作为我们神经网络的输入，这使得网络能够在多通道表示中找到关系。"

近11年来检测到的冠状洞的动画版本。已确定的日冕洞由红色等高线表示。太阳在太阳周期中发生变化，并在2014年达到其最大活动。资料来源：来自Jarolim等人，2021年。作者用2010-2017年时间范围内的大约1700张图像训练了他们的模型，并表明该方法对所有太阳活动水平都是一致的。通过将结果与261个人工识别的日冕洞进行比较，对神经网络进行了评估，在98%的情况下与人类标签相匹配。此外，作者还研究了基于磁场图的日冕洞检测，这看起来与EUV观测结果有很大的不同。对于人类来说，仅从这些图像中无法识别日冕孔，但人工智能学会了以不同方式感知图像，并能够识别日冕孔。