知否|首张黑洞照片面世,关于黑洞你需要知道的27件事

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发表于 2019-4-11 12:13:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
  
  整理 | 平章 乔乔
  出品 | 网易科技《知否》栏目组(公众号:tech_163)
  4月10日,人类历史上第一张黑洞照片被公布。
  关于黑洞,我们有着太多太多的疑问。有鉴于此,我们整合了各大权威媒体的一些解读,用于回答大家的疑问。
  
  1、黑洞是什么?它是如何形成的?
  黑洞属于一种很奇异的天体,即使光也无法逃脱它的引力束缚,既然光也逃不出去,自然外面也看不见。别说用肉眼,就连很多高大上的科学仪器,都无法捕捉它的身影。
  黑洞的形成和恒星的坍塌脱不了关系。中国古代就有记录,某一天天空突然冒出了一颗特别亮的星星。后来我们才知道,那颗星星是因为“体重”超标,在自身重力的作用下自己塌陷了,同时伴随着强烈的辐射,我们才看到它发出的很亮的光。
  2、对黑洞的研究始于何时?
  一百多年前,爱因斯坦提出广义相对论,将时间和空间结合为一个四维的时空,并提出引力可视为时空的扭曲。这一理论做出了不少重要预言,其中之一便是:当一个物体的质量不断塌缩,就能隐蔽在事件视界(event horizon) 之内——在这一黑洞的“势力范围”内,引力强大到连光都无法逃脱。
  1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,这个解表明,如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。
  3、黑洞有多少种?
  按组成来划分,黑洞可以分为两大类。一是暗能量黑洞,二是物理黑洞。
  按物理性质划分,根据黑洞本身的物理特性质量,角动量,电荷划分,可以将黑洞分为四类。
  (Ⅰ)不旋转不带电荷的黑洞
  (Ⅱ)不旋转带电黑洞
  (Ⅲ)旋转不带电黑洞
  (Ⅳ)一般黑洞
  (Ⅴ)双星黑洞
  4、为何黑洞照片是红色的?
  黑洞照片首次面世,很多人在激动兴奋的同时又有些疑惑?说好的是黑洞,为啥照片是红色的?其实,拍黑洞的望远镜收集到的不是日常的可见光,而是一种波长更长的亚毫米波,本身是没有颜色的区别的。说白了,照片的红色是后期处理的效果,你也可以理解为一种“照骗”了。
  5、黑洞的照片为啥这样模糊?
  黑洞固然神秘,但它的照片和光学照片的清晰度问题一样,根源在于分辨率。尽管我们现在的亚毫米望远镜基线已经达到了1万公里,但空间分辨率刚达到黑洞视界面的尺寸,所以在科学家们观测的有限区域内,就相当于只有有限的几个像素。在真实的情况下,我们在照片中只能看到吸积盘上的几个亮斑而已。
  6、此次拍摄的是哪个黑洞?
  本次首先公布的是星系M87的照片,别着急,银河系中心的黑洞照片还在数据处理中。
  从2017年4月5日开始,一个国际合作的天文项目(Event Horizon Telescope,EHT)开始对两个特殊天体进行观测:距离地球25000光年,位于银河系核心人马座A,以及距离地球5300万光年的M87室女座星云。观测的目标不是常规的天体,而是两个疑似的超大质量黑洞。黑洞正前所未有的暴露在人类的视网膜中。
  7、为何照片冲洗了2年之久?
  视界面望远镜2017年开始给黑洞拍照片,2019年才发布成果,为啥这张“高糊”照片冲洗了两年之久?首先望远镜观测到的数据量非常庞大,这些数据处理起来自然也就非常吃力了;其次黑洞太“调皮”,附近的气体处于一种极端环境当中,其运动有着非常多的不确定性;同时,我们的科学家非常严谨,在最终数据处理的时候,科学家们在两个不同的地方分别处理、分别验证。这样算下来,就花费了不少时间。
  8、为什么能给不发光的黑洞拍照片?
  黑洞给人印象最深刻的印象就是“霸蛮”但又很神秘的存在。说它“霸蛮”,是因为它可以吞噬临近区域的任何物质。
  如果只是孤零零的黑洞,我们真的是没办法拍摄黑洞照片了。但通常都有物质环绕在黑洞周围,组成一个盘状结构,叫“吸积盘”。吸积盘内的物质围绕黑洞高速旋转,相互摩擦发出炽热的光芒,包括从无线电波到可见光、到X射线波段的连续辐射,这些辐射可以逃逸到远处被我们探测到。
  所以,我们拍摄到的不是黑洞本身,而是利用其边界上的物质发出的辐射勾勒出来的黑洞的轮廓。
  9、拍摄黑洞照片的“事件视界望远镜”是个什么神器?
  天文学家为了观测黑洞视界边缘上的物理过程,动用了分布在全球的8座毫米/亚毫米波射电望远镜,这些望远镜组成了一个虚拟的,口径接近整个地球的望远镜,这座虚拟的望远镜,称为“事件视界望远镜”。
  在这8座射电望远镜当中,要数阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA)最为强大! ALMA造价达14亿美元,是目前最为昂贵的地基望远镜之一。如果没有ALMA的加盟,观测黑洞的视界简直是不能完成的任务。
  10、为啥只有“事件视界望远镜”才能拍到黑洞?
  由于星系中心的黑洞被厚厚的星际尘埃和气体阻挡,光学波段的望远镜无能为力,只能采用射电波段。毫米波已经是射电望远镜所用波长的下限,在电磁波谱上已经与红外线接壤。为了能够观测到黑洞视界上的物质行为,事件视界望远镜已经把射电望远镜的分辨率提高到了前所未有的高度,到了10到20个微角秒的程度!这相当于看清4000公里外硬币上的发行日期。也就是说事件视界望远镜的分辨率是哈勃望远镜的数千倍。
  11、“事件视界望远镜”可以给所有黑洞拍照吗?
  “事件视界望远镜”利用的是一种叫“甚长基线干涉测量”(VLBI)的技术。它允许用多个天文望远镜同时观测一个天体,模拟一个大小相当于望远镜之间最大间隔距离的巨型望远镜的观测效果。
  甚长基线干涉观测的分辨率是其它任何望远镜所无法比拟的,最有显示度的观测成果是对超大质量黑洞候选体的观测研究,这是因为黑洞的尺度非常小。目前VLBA观测最成功的有3例,分别为银河系中心、椭圆星系M87和塞弗特星系NGC4258中的超大质量黑洞候选体。
  12、为什么选择银河系中心和M87星系中心的黑洞作为研究对象?
  在银河系内,人类已发现了20多颗恒星质量的黑洞,距离我们最近的3400多光年,但为什么不选择这些相对较近的黑洞进行观测,而非要舍近求远选择26000光年之外的银河系中心的黑洞和5300万光年之外的M87星系中心的黑洞呢?这是因为这些恒星级黑洞的质量太小,直径相对也较小,因此从地球上看去,张角反而不如较远距离的超大质量黑洞大。
  13、中国科学家在黑洞照片拍摄过程中做出了哪些贡献?
  我国科学家长期关注高分辨率黑洞成像研究,在EHT国际合作形成之前就已开展了多方面具有国际显示度的相关工作。在此次EHT合作中,中国科学家在早期共同推动了EHT的合作并参与了EHT望远镜观测时间的申请,同时协助JCMT望远镜开展观测并参与数据处理和结果理论分析等,为EHT黑洞成像做出了积极的贡献。
  14、黑洞这么“贪吃”,它真的能装下这么多东西?
  1974年,物理学家史蒂芬·霍金提出了黑洞的辐射理论,即霍金辐射。根据这个理论,黑洞会通过霍金辐射损失一部分质量和能量。
  虽然霍金辐射会让黑洞“冒汗”,但是消耗的量远远比不上它们贪吃的量,所以也就根本无法减肥。
  事实上,宇宙中的所有物质最后都可能落入到这些贪吃的黑洞的内部,到那时候,宇宙中就真的是漆黑一片了。
  15.黑洞的阴影图像代表了什么?
  黑洞照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构,看上去有点像甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“阴影”,明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘。
  广义相对论预言,由于黑洞的存在,我们将会看到中心区域存在一个由于黑洞视界而形成的阴影,其周围环绕一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环,由于黑洞的自旋及与观测者视线方向的不同,光环的大小约为4.8-5.2倍史瓦西半径(注:史瓦西半径指没有自旋的黑洞的事件视界半径)。
  16.黑洞研究对科学的发展有啥意义呢?
  科学家说了,对黑洞的研究就是我们要理解这方面自然规律,其中重要的方面就是理解量子力学和引力理论的关系以及黑洞在宇宙演化中的作用。
  这也不是说黑洞比其他现象重要,只是很多人对这个感兴趣,而很多东西我们又还不理解,所以进行研究。至于弄清楚后,能否实现时空旅行等人类美好的愿望,就是应用问题了。
  17.黑洞是如何被看见的?
  事件视界望远镜由位于四大洲的8台射电望远镜所组成,图中的黄色线条为连接这些望远镜的“基线”,由此构成了一架和地球大小相当的望远镜。
  它们北至西班牙,南至南极,向选定的目标(两年前视界面望远镜选定了两个观测目标,一是银河系中心黑洞Sgr A*,二是位于星系M87中心的黑洞)撒出一条大网,捞回海量数据,以勾勒出黑洞的模样。
  事实上,亚毫米波段和我们非常熟悉的可见光有着天壤之别。这个波段我们是无法直接看到的,所以,利用亚毫米波段给黑洞拍照,其实就是得到黑洞周围辐射的空间分布图。
  对于我们日常接触的光学照片来说,它反映的是光学波段不同颜色或者频率的光子在不同空间位置上的分布情况。明白了这一点以后,我们就很容易理解亚毫米波段“黑洞照相馆”的原理了。
  尽管是在单个频率进行亚毫米波段观测,但因为黑洞周围不同区域的光子所产生的辐射强度不同,我们于是可以得到一个光子强度分布图,然后我们假定不同的强度对应着不同的颜色,就能够得到一幅“伪色图”——图中的颜色很可能是科学家根据个人喜好自行设定的颜色。
  18.黑洞从未被观测到,是如何被证明真的存在的?
  黑洞无法直接观测,但可以借由间接方式得知其存在与质量,并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因高热而放出和γ射线的“边缘讯息”,可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹取得位置以及质量。
  19.黑洞照片对于验证相对论、揭秘星系演化有何意义?
  这次的直接成像除了帮助我们直接确认了黑洞的存在,同时也通过模拟观测数据对爱因斯坦的广义相对论做出了验证。在视界面望远镜的工作过程和后来的数据分析过程中,科学家们发现,所观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致,令人不禁再次感叹爱因斯坦的伟大。
  另外一个重要意义在于,科学家们可以通过黑洞阴影的尺寸限制中心黑洞的质量了。这次就对M87中心的黑洞质量做出了一个独立的测量。在此之前,精确测量黑洞质量的手段非常复杂。
  受限于观测分辨率和灵敏度等因素,目前的黑洞细节分析还不完善。未来随着更多望远镜加入,我们期望看到黑洞周围更多更丰富的细节,从而更深入地了解黑洞周围的气体运动、区分喷流的产生和集束机制,完善我们对于星系演化的认知与理解。
  20.是谁首次想象出黑洞的样子?
  在没能一睹黑洞真容的岁月里,科学家通过计算了解黑洞的“样貌”。
  早在上世纪10年代后期,大数学家希尔伯特(David Hilbert)就计算了黑洞周围的光线弯曲和引力透镜效应。
  70年代,James
  Bardeen及Jean-Pierre Luminet等人计算出了黑洞的图像。
  90年代后期,Heino
  Falcke等人针对银河系中心黑洞的情况做了详细计算,并引入了黑洞阴影的说法。他们同时指出,该黑洞阴影若是“镶嵌”在周围明亮的,光学薄(即对某一观测波长透明)的热气体中,就可以被(亚)毫米波甚长基线干涉测量技术“看到”。
  此后,人们利用广义相对论磁流体动力学数值模拟,针对黑洞成像开展了大量研究,均预言黑洞阴影的存在。因此,对黑洞的阴影的成像提供了黑洞存在的直接“视觉”证据。
  21.黑洞最终的命运是什么?
  黑洞的未来只有一个方向:宏观黑洞会继续吞噬能够遇到的任何物质和能量,长得越来越大;然而在体积越来越大的同时,它们的平均密度会越来越小,也就是说它们会变得越来越虚胖。
  22. 如果人类掉进黑洞会怎么样?
  黑洞里面仍然有时间和空间,有可能黑洞真的是长生不老,而且会长得越来越大,越来越胖。
  接下来是开脑洞时间:如果宇航员驾驶一艘非常结实、不会被引力压坏的飞船进入黑洞,会发生什么呢?科学家会严肃地告诉你:首先,飞船是否结实不是关键,宇航员自己是否结实才是最关键的。
  事实上,一旦“掉”进黑洞,宇航员会感受到沿着下落方向的巨大拉伸力,估计就像是一个人被沿着头和脚的方向用力拉扯吧!如果他进入的黑洞的质量比较小,宇航员会被“扯”成面条。如果他进入的黑洞质量很大,开始进去时他可能不会有太多的感觉。但是进去之后就会一直往黑洞的中心奇异点落去,直至最后粉身碎骨,
  至于接下来会发生什么或恐怖或奇妙的事情,我们就不得而知了。
  23、黑洞是不是管道状?
  黑洞视界的大小取决于引力,因此视界是一个包裹着黑洞的球面。如果你有办法从外面看到视界,它看上去会像是一个黑色的球面。
  有些人把黑洞想象成一个圈或者是管道状的。“管道”是在解释引力对空间的弯曲中经常所用的图释,这时坍缩的3维空间被简化成了2维空间。空间被想象成了一张床单,大质量天体对空间的弯曲就和把一个保龄球放在床单上的效果一样。但空间不是2维,是3维的(如果算上时间就是4维的),因此这个解释就会让人们对黑洞视界的形状产生误解。
  24、黑洞会转动吗?
  黑洞确实会转动。恒星会自转,它的核心也会转动。当恒星的核心坍缩地越来越小时,它的自转就会越来越快。这就像花样滑冰运动员通过收回张开的手臂来加快自身的转速一样。如果核的质量不足以形成黑洞,它就会形成一颗直径只有几千米的中子星。目前已经发现了数百颗中子星,它们自转的速度非常快,有时甚至可以达到每秒钟100圈。
  25.黑洞总是黑的吗?
  很少有物质会直接掉入黑洞进而消失。稍有偏差,它们就会绕着黑洞转动。随着物质的增多,它们就会在黑洞周围聚集起来。这些物质高速转动产生剧烈的摩擦,从而使得物质被加热到数百万度的高温,于是黑洞附近的物质就会发出极为明亮的辐射。
  黑洞竟然通过吞噬物质成为了宇宙中最明亮的天体。
  26.黑洞会继续变大吗?
  当两个黑洞碰撞的时候会发生什么?它们会形成一个更大的黑洞。类似地,黑洞吞食其他物质也会长大。在早期宇宙中当星系正在形成时,婴儿星系核心处的物质会坍缩成一个质量极大的黑洞。随着越来越多的物质掉入其中,黑洞会贪婪地消化它们进而生长。最终它会长成一个超大质量黑洞,质量达到太阳的数百万甚至数十亿倍。
  27、黑洞的密度竟然堪比空气?
  这一点确实出乎意料,但事实确实如此。
  一个普通的黑洞质量通常为太阳的3倍,视界的半径为9千米,此时它的密度为每立方厘米2千万亿克。但如果你把它的质量翻一倍,其密度就会减少到原来的1/4;质量增大10倍,密度就会减少100倍。对于一个在星系团中常见的、10亿个太阳质量的超大质量黑洞而言,它的密度只有每立方厘米0.001克,和地球上的空气密度一样。
  参考来源:中国新闻网、新华网、赛先生公众号、中科院高能所研究员张双南专栏文章,中国科普博览等
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