一转眼人类拍摄到的第一张黑洞照片已经过去一年了,但是还是有很多人不了解黑洞到底是什么样的,它是球吗?还是一个二维的洞口?正面反面一样吗?上面看下面看有区别吗?
黑洞形状的疑惑
图:拍摄到的黑洞照片组成的笑脸
的确,一张二维的照片,按网友话说就像点了火的蜂窝煤,这张二维图片并无法展示出三维形态。更不要说网络中千奇百怪的黑洞照片,到底哪一种形态是真的?其实大部分照片可能都是准确的只是描述的角度不一样,例如:时空扭曲的黑洞,非时空扭曲下的黑洞本体,带引力透镜还是不带引力透镜,旋转还是不旋转,三维还是立体等等,今天我们就来讲讲,黑洞本该是什么样子的,因为其他因素的应该它又会呈现什么样的状态!
不同版本的黑洞
先来个最简单的!
图:简单的黑色圆盘,似乎周围有一个环,这是对视界的一种过度简化的描述。
最古老的插图是简单的圆形,黑色的圆盘,挡住了它后面所有的背景光。为什么当时的学者会这么设计呢?想想黑洞的性质就知道了。黑洞的质量非常大,体积非常小,以至于它表面的逃逸速度大于光速!因为光速是信息和能量传递的极限速度,即使是黑洞内部粒子之间相互作用也无法超越光速。黑洞内部的物质或能量会坍缩成一个奇点,在黑洞周围会形成一个视界。在这个球形的空间区域中,没有光可以逃逸,所以它应该是一个黑色的圆圈。从任何角度看去就像一个黑的圆盘叠加在宇宙的背景之上。
图:黑洞不仅叠加在背景上,它巨大的引力会产生引力透镜效应,从而拉伸、放大和扭曲背景的光。
爱因斯坦《广义相对论》中描述了引力会使时空发生弯曲,而黑洞又是宇宙的引力之王,所以视界的大小与周围的空间背景,需要与引力效应产生的空间曲率相称。这个版本的黑洞更详细,更准确地描述了黑洞的样子。但是我们离完美的版本还有很长的路要走,这个黑洞并没有考虑到前景物质和黑洞周围的吸积,我们继续升级。
图:活跃的黑洞,它正在吸积物质并向外加速喷射两股物质。
黑洞巨大的引力效应,黑洞会使靠近它的物质高速旋转形成吸积盘。它能吞噬万物,无论是小行星,气体云,甚至整个恒星都能吞噬,潮汐力会将靠近它的物质撕裂。由于角动量守恒,以及各种粒子之间相互碰撞,所以在黑洞周围会形成一个高温的圆盘状的物体,时时刻刻向外释放热辐射。在最内部的区域中,粒子偶尔会掉进去,从而增加了黑洞的质量,而黑洞前面的物质会遮盖黑洞球体的一部分。这样的黑洞一般存在于星系中心。
实际上,视界本身是不透明的,你不应该看到它背后的物质。
图:电影《星际穿越》中的黑洞就非常精准地描述了视界,它属于一类非常特殊的旋转黑洞。
我可以毫不夸张地说,这样的黑洞甚至比NASA专业制作的黑洞更准确。即便是专业人士也会对黑洞的形态存在很多的误差。
真的是隔行如隔山,而电影特效公司却能描绘的如此准确并细致,制作视频图片的事情,还是好莱坞电影视觉制作更为靠谱(或许是它们为了票房不惜血本,呵呵开个玩笑)。
划重点:黑洞并非主动吸引物质,它们只是在直线运动,因为时空的扭曲,导致直线的路径指向了黑洞,所以是巨大的引力使它们往下掉的状态。还有一点就是无论恒星还是一只蚂蚁,都不会因为引力把它们撕裂了。这只是潮汐力的作用,即离黑洞中心越近,时空的扭曲程度越大,当一只头向着黑洞蚂蚁走了进去,它的头引力较大,臀部离黑洞中心相对头部较远,所以会出现头部和臀部被拉伸的效果,体会一下兰州拉面师傅抻拉面的感觉。
一般来说,黑洞很少单独存在,它的附近都会有其他物质,被它的引力支配着按轨道运动,比如我们星系的中心。
图:银河系中心人马座A*黑洞的x射线和红外线合成图像。
它的质量约为400万个太阳,周围环绕大量高温气体(被X射线加热)。
我们无法看清黑洞内是什么样子的,因为它不发光!我们所能做的就是观察一个特定的波长,看到从黑洞周围、前后前后发出的光的组合。
图:视界望远镜通过波长的模拟了黑洞视界的可能的轮廓。
对于黑洞来说,x射线无效,因为x射线光子太少了,并且也不能看到可见光,因为银河系的中心是不透明的。红外线也白扯,因为大气阻挡了红外线。我们能做的就是通过无线电,可以在全世界范围内模拟,来得到可能的最佳分辨率。
图:利用半个地球中分布在各处的望远镜观察视界(2019年的黑洞就是这么来的)
银河系中心的黑洞的角度大小约为37微弧秒,而这个望远镜阵列的分辨率约为15微弧秒,所以我们能够看到它!在无线电频率上,绝大多数的辐射来自于在黑洞周围加速的带电物质粒子。
图:根据黑洞吸积盘模型,以及无线电信号得到的五种不同的广义相对论模拟结果
在2019年之前,科学家希望预测的黑洞视界是存在的,视界有一个特定的尺寸,它会并阻挡来自它背后的光。同时科学家也希望在视界前面会有一些信号,不过这些信号可能会很混乱,因为黑洞极度扭曲时空会使周围的环境极为混。
当黑洞的吸积盘盘朝我们旋转时,一面更亮,而当磁盘旋转时,一边比较模糊。由于引力透镜效应,视界的整个“轮廓”也有可能是可见的。无论吸积盘是“侧对”还是“面对”,都将极大地改变信号,如下面的第1和第3面板所示。
图:吸积盘的方向,无论是正面(左边两个)还是侧面(右边两个),都黑洞的形状在我们看来会有极大的差别。
而我们得到的结果,也和我们想象中的一样,这就是黑洞真实的样子,以及这个样子的由来!
图:拍摄到的黑洞