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看过了黑洞'打嗝',看过了黑洞'喷射',这一次我们终于看到了黑洞真身! !

作者:英国那些事儿 来源:英国那些事儿 公众号
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04-10

自人类开启宇宙探索以来,

我们所能了解到的地球之外的世界,越来越多,越来越广大,

我们惊讶地发现,在孕育和保护我们的地球家园之外,是一片无比冰冷和残酷的世界。


从时速300公里的木星大风暴,到相当于地球900米深海压力的金星大气压。


人类越来越多认识到,地球家园之外,是一片毁天灭地的残酷世界.....


然而,这些冰冷残酷的天体中,最让我们津津乐道的,莫过于一个我们从来都看不见,摸不着,却如同深渊幽灵一般的天体,它就是黑洞!


黑洞是一个奇异的天体,几乎每个人都能说出这个名字,也或多或少能讲出它的一两个特征,

难以想象的密度,无法探究的深邃,连光都无法逃脱的可怕引力…..


许多影视作品中对黑洞有着脑洞大开的奇思妙想,例如2015年的著名科幻片《星际穿越》,

就将黑洞的形象搬到了银屏上,片中表现的巨型黑洞“卡冈图亚”,是一个光子笼罩的球体,带着一圈环状的吸积盘的样子……



以至于人类在知道黑洞存在的那一刻起,就常常忍不住发问:


黑洞是什么?

黑洞怎么来的?

黑洞为什么能吞噬一切?

黑洞到底长成什么样子?

黑洞的里面究竟有什么?


……


人类对黑洞的探索从未止步,

在攻克了关于黑洞的一个又一个疑难之后,

一个持续多年的难题始终困扰着人类:

一直以来,黑洞都像一个深渊幽灵,它似乎无处不在,影响了无数天体的运动,却又无影无踪,永远停留在人们的推断,虚拟图像,以及各种间接证据中…


而我们究竟能直接观察到黑洞们么? 


在这个旷世谜底揭晓之前,

让我们回顾一下人类为了“看清黑洞”,进行的长达100年的艰难跋涉....


早在1783年,英国地理学家约翰·米歇尔(John Michell),就提出了关于黑洞雏形的假设:


他认为,如果一个天体的密度大到一定程度,它将变成一个可怕的深渊巨口,吸入一切物体,连光都难以逃脱…..



1916年,爱因斯坦发表了相对论,在广义相对论中,他将引力解释为空间的弯曲,并在这个模型下预言了黑洞的存在,在他看来,黑洞是一种引力极大的天体,大到光线都难以逃脱。


而也就是在同一年,德国天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)通过计算爱因斯坦的引力方程,发现了一个解,这个解表明:


如果大量物质密集集中在一点,会形成一个“可怕”的天体,这个天体宛如一个深渊巨口,拥有无比强大的引力,在引力的中心,连光都逃不掉。 


当然,引力也有作用的范围,只有在这个范围之内的光才逃不掉。 这个界面,被称为事件视界(Event Horizon)。  于是,一个无比强大天体,第一次出现在了数学方程中…


到了1968年,美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)第一次将这种科学预言中的天体命名为“黑洞”,

从那以后,“黑洞”这个名字开始在世界范围内广为流传,无论是否熟知天文学知识,地球上的人类或多或少都听过“黑洞”这个可怕的天体,它能吞噬一切,连光线都难以逃脱…


黑洞的电脑合成图


虽然无数物理学家都预言并肯定了“黑洞”的存在,

然而,100多年来,无数个“黑洞”始终像藏在宇宙角落里的幽灵,悄无声息地吞噬着星体,星系,光线….


地球上的人类,始终无法看到它们的真正面貌…



【为什么我们到现在都看不见黑洞?】


这其实,有两个原因。 一是因为,黑洞实在是….太小了。  二也是因为,连光本身都逃不出黑洞,又如何直接观测黑洞呢?


这第一点,还得从黑洞的形成说起。


宇宙中的恒星都是有寿命的,

只要是恒星,都会经历一场从诞生,成长,膨胀到最大,收缩,变小的过程...


大致如同一个气球被吹大,然后放气缩小的过程。


而有一些恒星,膨胀起来会特别巨大,在它们的燃料耗尽之后开始收缩,收缩之后又会特别小,

这样收缩的过程是如此极端和强烈,以至于收缩到了一定界限,恒星的内部发生了引力坍塌。 如果之前的恒星质量足够大(大约3-4个太阳质量),那这个恒信最后,就会坍缩成一个黑洞。 


所以,本质上,黑洞就是一个收缩坍塌到极致的死亡后的恒星,它是一种密度无比巨大,体积又收缩得极小的天体…..


天文学家曾预言,自宇宙大爆炸的混沌时期,就形成了许许多多的黑洞,然而,它们无一例外地,作为天体来说,都小到令人发指….


小到什么程度呢?


即便超级巨大的黑洞,质量是太阳的数百万倍,体积也小到只有一丁点儿,美国亚利桑那大学的Dimitrios Psaltis教授曾这样描述:

“对目前来说,‘看上去’最大的黑洞,就是我们银河中心的那个。然而,以它的尺寸,我们从地球上拍这个黑洞,只相当于从地球上去拍月球表面放着的一个DVD光盘…”


正因为如此只小,以至于我们之前的望远镜,分辨率都不足以看清黑洞。 通俗点说,因为口径太小,所以放的不够大。


而除了尺寸小,光线的干扰也是一大糟心事,

从某个角度看,由于黑洞的引力巨大,会在黑洞周围形成一个堆满光亮物质的圆盘(圆盘里面光线不能逃逸,是事件视界)也会干扰望远镜的观察,

如同在夜晚的漫天烟花中,去找到一个小小的黑色无人机,谈何容易…..


电脑模拟黑洞及其“事件视界”


这样看起来,在过去有限的技术条件下,

即便用最好的望远镜,想直接“看到”一个黑洞,几乎是不可能任务。



【我们看不到黑洞,但是可以看到黑洞的“打嗝”】


在探索黑洞的过程中,美国宇航局NASA的钱德拉X射线天文台功不可没,

人类正是通过X射线,发现了黑洞存在的间接证据。


虽然黑洞一片“漆黑”,像个貔貅,大多数时候只进不出,但天文学家们很快发现一个关于黑洞的,令人惊喜的现象好在,即,它们吃下东西后,偶尔还会“打嗝”…..


把黑洞看成一个大吃货,当它吞噬周围的星体和其他物质时,会喷出大量的X射线,一些天文学家将这种现象戏称为黑洞“打嗝”。  而这些X射线,恰好是我们可以观测到的!


因此,当黑洞“打嗝”的时候,就是人们捕捉它的最佳时机,尽管这种时候并不多…


而钱德拉X射线天文台,作为专门设计用来观测X射线的太空天文台,仍然抓住了这些为数不多的时机,拍到了黑洞存在的间接证据。


天文学家曾用它监测到了2600万光年之外,两个星系合并产生的X光,天文学家们怀疑,这些X光线,就来自于那里的一个庞大的黑洞!


X射线光弧上的小白点便是疑似黑洞的位置


下面图片上那些紫红色的部分,是强烈的X射线源... 科学家认为,这正是因为这两个星系的碰撞,产生的各种黑洞...



除了X射线,黑洞还会发出波,钱德拉X射线天文台也曾接收到过英仙座星团同时发出的X射线和波,它们同样是黑洞存在的间接证据…..



之前,科学家们一直怀疑,银河系中心就有一个超级巨大的黑洞。 直到后来钱德拉X射线天文台同样接收到了来自来自银河系中心的X射线闪光,这同样间接证实人们的猜想。


来自银河中心疑似黑洞的X射线爆发


正是有了这样对X射线爆发的观测,

可以说,我们第一次“间接”的观测到了黑洞......


我们也以此找到了宇宙中很多可能存在黑洞的地方。 


然而,

我们对黑洞的探索,不止于此。 



【我们还能看出黑洞“吐”出的东西】


嗯,除了X射线,还有别的方式能观测到黑洞的存在,

因为,黑洞不但会“打嗝”(放X射线),还会“呕吐”…..


有时候,黑洞会如同“呕吐”一般,以惊人的光速喷发出一股巨大的,物质和能量的喷射流,

下面这张图,就是被哈勃太空望远镜和其他射电望远镜捕捉到,在武仙座(Hercules)星系的中心,发生过这么一次黑洞的“呕吐”喷射现象。 


这不但间接证明了黑洞的存在,也像我们展示了黑洞难以想象的巨大破坏力…..



天文学家还曾拍到过距离我们1300万光年外的半人马座A (Centaurus A) 星系,中心黑洞喷发出的巨大喷射流,喷射流的长度甚至比这个星系本身的直径还要长…..



而下面的这张,是哈勃望远镜拍下的M87星系的核心...


核心向外面射出了一条长达5000光年的喷射流。 


科学家认为,这核心中就包含一个超大质量的黑洞。




【我们还能看到黑洞“拉拽”其他星体的行为】


正因为有了之前的观测手段,我们找到了在宇宙中越来越多疑似存在黑洞的位置。 


于是我们就可以对那些地方进行持续的观测,

看看黑洞究竟能对周围星体产生什么样的影响。 


毕竟,

黑洞本身的引力也是人们难以忽略它们的可怕存在…..


下面的这个动图,是天文台对一个同一个天区进行了连续16年的观察。 把16年来这些天体的位置的变化合并成了一张动图... (相当于加速3200万倍)


我们可以看到,很多颗星星围绕着同一个地方进行旋转... 而那个环绕着的地方却“看”不到任何东西...  


科学家认为,那里,就存在着一个黑洞...


正是黑洞巨大的引力,影响着这周边的星体。 



一系列的间接观测证据向人类表明了黑洞的存在,除了看得见的东西,我们实际上还能“感受到”黑洞的活动….


根据爱因斯坦的广义相对论的推测,当两个引力巨大的黑洞相撞,会释放出庞大的引力波:

“当物质加速时,引力波变化产生,而当两个黑洞相互围绕做出旋转运动时,将带来周围的引力剧变!”


如同振动空气形成声波,引力巨大的黑洞碰撞,会让空间在一拉一伸中形成引力波的,这可以通过专门设计仪器探测到….


于是,14亿光年之外的两个黑洞,在14亿年前碰撞,它们释放的引力波在宇宙中穿越了14亿年,最终到达地球,并被激光干涉引力波天文台(LIGO)所观测到….


不过,

无论是黑洞“打嗝”,黑洞“呕吐”,恒星绕不明物体公转,引力波…..


所有的间接证据,都不如我们把黑洞真真切切看上一遍,然后说一句:“它就在那里!”来得更为理直气壮。



【这一次,我们要直接看黑洞】


多年过去,科学技术已经有了长足的进步,望远镜的分辨率也成倍提高。


然而,而要看清黑洞的事件视界,依然需要比哈勃望远镜的分辨率高出1000 倍以上…


如今,科学家可以利用单个望远镜实现黑洞周围恒星位置的测量,

然而,比起恒星,黑洞的尺寸依旧小得难以置信,

黑洞,对于今天的我们来说,依然太小了…..


然而,为了看清大黑洞,我们依旧想出了办法….


一个望远镜的分辨率不够,可以利用多个位于不同地方的望远镜,在同一时间进行联合观测,最后将数据进行相关性分析之后合并!


于是,一场横跨全球30多个国家通力合作,动用全世界8台望远镜,构筑了一个相当于地球直径口径的虚拟望远镜——“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope,EHT )启动了!


这8台望远镜在几天里集中观测出的数据,又经过了2年的数据处理和相互验证。


终于,科学家们“拍”出了黑洞的第一张照片。  也就是今天公布的这张。 


M87星系核心部分的黑洞照片。 



这是人类第一张关于黑洞的真实图像! 


我们发现,黑洞的中心,确实是光都逃不出来的黑的。 


而黑洞的周边,确实聚集了大量明亮的物质的吸积盘... 而在黑洞和吸积盘中间的正是理论上预言存在的事件界面。  



这张图,又一次证明了爱因斯坦广义相对论的正确。 


因为之前科学家根据广义相对论的理论,推演出来黑洞的周边应该会是这样的一种景象。


(推测的效果图)


那么,如果拍出来的照片跟这个相差很大,那意味着广义相对论可能还存在缺陷。又或是意味着我们对黑洞还不够了解。 


如果拍出的照片跟理论推断出的类似,那就意味着广义相对论又一次被验证,我们就可以进一步继续利用广义相对论而继续探索宇宙!


而今天公布的结果,虽然模糊,却依然满足着上面的推测。 



无论如何,

这是我们在直接观测黑洞上成功走出的第一步。 


未来,科学家还可以进一步优化望远镜的分辨率和灵敏度,

以后还可能会有更清晰的图片。 


人类对于黑洞的了解,

从猜想,到间接观测黑洞释放出的X射线,观测黑洞喷出的射流,观测到黑洞碰撞的引力波,直到现在直接观测到黑洞的照片。 


这,大概就是我们对宇宙探索的一种体现吧。 



Ref:

https://www.vox.com/science-and-health/2018/1/8/16822272/black-hole-looks-like-what

https://eventhorizontelescope.org/

.............................

沐梓伊森:就想知道质量如此惊人的黑洞中心的时间是不是停止的?[摊手]想去……


_红皮大西瓜:爱因斯坦,霍金真的是太伟大了


绵卷卷:仰观宇宙之大,俯察品类之盛


TanTianyu_JR:这个探索无限大的谜底的过程真的是无比浪漫


柠檬鲸本鲸:我们是第一批见证者哎,真幸运


魯魯修vi不列顛尼亞:看清了!是個甜甜圈!! 


…………………………


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