光无法使我们看到黑洞,那到底是谁帮助我们看到第一张黑洞照片?

栏目:新闻 来源:绵阳网 时间:2019-11-09

由事件视界望远镜拍摄的黑洞图片令人叹为观止,同时它也使人们感到困惑和不解。这并不奇怪:黑洞与人类所见识过的事物不同,它展现了极端物理条件的影响,这是我们在地球上前所未见的。我们通过一些手段就能更好的了解黑洞,了解黑洞是什么,黑洞在哪里,进而这张图片也会变得更有意义。

这是黑洞所在的M87星系。M87星系位于室女座,即使在晴朗的黑夜通过一架很好的双筒望远镜观察也是模糊不清的(这个视图来自智利的超大望远镜:由ESO超大望远镜捕获的M87)。


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从这张图片中很难看出来,但实际上M87是一个巨大的星系,它有着银河系的200倍大,而银河系本身已经是一个相当庞大的星系。你会注意到一个有趣的现象,一个酷似喷射飞机的物体向着右上方喷射出星系。那是星系中心存在超大活跃黑洞的标志之一。这是美国宇航局Chandra X-射线天文台拍摄的X-射线图,其中放大了星系的中心区域。


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现在你开始明白创造了这个巨大“喷气机”的活动的起源。它来源于放大图中标有+的位置。这是黑洞的所在位置。但是我们看到的仍旧是很大的一块区域。插图中的场景横跨25,000光年,宽度大约是黑洞本身的400万倍!

可见光和x-射线不足以形成清晰到可识别M87黑洞周围环境的图片。要做到这一点,你需要借助无线电波。同时,还需要理论模型来了解所观察到的内容。下图是一个展示更靠近黑洞区域的状况的模型(接下来的两张照片来自欧洲南方天文台的一位伟大的解说者)。


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现在你可以感觉到黑洞周围正在发生什么。黑洞并不是孤立存在着的。气体流向孔洞中,沉入旋转的圆盘中并加热到数百万度。一些气体喷射到垂直于圆盘的“喷气机”中。圆盘的辐射、运动和磁性以某种方式高速地将物质射入这些“喷气机”中。没有人确切知道这个过程是如何运作的;这也是天文学家们如此渴望得到黑洞图片的原因之一。让我们将其继续放大:


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放大完成!这个有着太阳65亿倍大的黑洞是推动M87及其周围所有骚动的引擎。天文学家通过测量它对周围恒星的引力来给它称重。如果天文学家们得到黑洞的图片,他们也可以通过观察它的大小来衡量它的质量。在由事件视界望远镜拍摄的图片中我们可以看到黑洞横跨250亿英里(冥王星围绕太阳轨道宽度的三倍多一点)。 这样大小的黑洞质量为65亿个太阳。

令人称奇的是两种测量方法得出的结果极为一致。

从这张图像可以看出黑洞本身是一片漆黑的。正如你所说,我们没有办法孤立地看待黑洞,因为(实际上)没有辐射可以逃脱它。但重点是:黑洞被辐射覆盖。这就好像一个小偷穿着一身黑色来避免被人发觉,但最终却在一个白天穿过刚刚飘落的白雪中,给我们留下一个影子和轮廓。

上图是一个用来演示黑洞不同组成部分的示意图。如果你站在那儿你所能看到的和这个图并不完全一致,原因在于:

黑洞的极端引力使得周围的光发生扭曲,造成复杂的变形。

由于引力的放大作用,黑洞的轮廓变成事件视界本身的数倍大小。

周围气体的辐射扭曲成环状。

气体在黑洞周围飞速流窜。向我们迎面而来的气体会比向相反方向流动的气体亮的多。

最终你看到的黑洞和上图中显示的角度不同。在M87的例子中,我们几乎是与黑洞正面相迎,“喷气机”指向我们(偏离17度)。这些模拟显示了不同角度下黑洞外观的不同。

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所有这些背景,使得了解这有史以来的第一张M87黑洞图片容易的多了。


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黑洞的事件视界位于这个甜甜圈的黑色中心区域。正如你所料,你无法看到黑洞本身。从事件视界望远镜拍摄的那张非凡的照片中我们可以看到的是黑洞阻挡和弯曲周围的热气体发出的无线电波。你没有看到“喷气机”是因为科学家们仔细挑选了一个透明的射频,让人们直接看到黑洞。

黑洞的轮廓和黑洞本身的照片是一回事吗?当然!请看下图:这是一个人的图片吗?如果你从未见过人类,下图可以让你知道人类长什么样吗?你没有看到他身体任何部位反射的光线,但是毫无疑问你看到了这个(轮廓)。对于M87黑洞的新视角也是如此。

值得注意的是M87黑洞图像具有所有预期的特点。

视界和围绕它的引力聚焦引起的中心黑暗。周围明亮的气体形成一个明亮的圆环。因为圆环正在沿轨道快速运行因此圆环的一侧比另一侧更亮。理论与观察之间高度匹配。另一个令人兴奋的细节是:天文学家已经可以观测到每天在黑洞周围移动的物质的踪影!


光无法使我们看到黑洞,那到底是谁帮助我们看到第一张黑洞照片?


暂时来讲,很难区分哪些是真实的,哪些是处理后的效果,但是事件视界望远镜团队承诺他们很快会制作黑洞的视频,不仅仅是M87黑洞,还有我们所处星系的巨大黑洞。科学家们也在努力将图片做的更加清晰,通过在事件视界网络中添加更多射电望远镜并最终在太空中增加更多望远镜来达到这个目的。

当你看这些图片的时候,很难掌握看清这些东西所需要的精确度。这相当于通过一架望远镜使身处纽约的你可以看清楚洛杉矶城中一本书刊上的字。黑洞照片的清晰度是人眼所能观测到的2500万倍。这远远超出了哈勃望远镜的能力。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. Corey S. Powell- quora

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