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用中学生能懂的语言讲黑洞背后的科学:众妙之门

2019-05-14

M87黑洞(来源:EHT)

这张图展示的是室女座星系团中的大质量星系M87中心的黑洞。来自全球的超过200位科学家参与其中,耗时十六年,终于还原了黑洞的真实面目。

什么是黑洞?黑洞是怎么拍摄的?我们特别邀请了加州州立大学旧金山分校物理与天文系终身教授满威宁给大家带来今天的"众妙之门"。

什么是黑洞?

首先黑洞并不是一个洞,而是当一个天体的万有引力强大到连附近的光都没有办法逃出去,它就成为了黑洞。

我们都熟悉牛顿和苹果的故事:牛顿在思考苹果为什么会掉落时发现了万有引力,也就是任何两个物体之间都存在互相吸引的万有引力。月亮一直绕着地球转,而地球一直绕着太阳转,都是因为万有引力。

牛顿和苹果的故事(来源:谷歌图片)

我们生活中的经验是,扔出去的东西总会掉下来,那也是因为地球对这些东西都有很强的吸引力。那么能不能让扔出去的东西不掉下来呢?倒真的可以,如果速度足够快的话——我们的高铁大概是100米每秒,也就是说比高铁大概快八十倍,如果发射东西的速度达到每秒钟接近8000米,就可以让它像卫星那样围绕着地球旋转不掉下来。如果速度更快,达到11000多米每秒,就可以彻底逃脱地球的引力。再快的话,从地球出发,发射速度达到1.67万米每秒,也就是说16.7公里每秒,就可以逃离太阳系了。

宇宙速度示意图(来源:《十万个为什么》)

总而言之,天体的质量越大,引力就越大,周围的物质就越难逃出它的引力束缚,需要很快的速度才能够逃出去。而宇宙间最快的速度是在真空中的光或者电磁波传播的速度,约为30万公里每秒,也就是说每秒钟能够绕地球7.5圈,这是我们这个宇宙中传递物质或者信息的速度极限。

广义相对论预言能存在引力效果强大到连光速都逃不出的天体,附近的光会被它吞噬,所以上世纪60年代普林斯顿的理论物理学家John Wheeler给它们命名为“黑洞”。

黑洞长什么样?

黑洞的中间有一定的范围,这是连光都逃不出来的范围,我们把它叫做视界。在黑洞视界附近的其他物质也都被黑洞的引力吞噬,形成快速旋转的漩涡,被吸入黑洞,这部分叫做吸积盘。吸积盘由于释放引力能量和快速旋转摩擦以及磁能产生巨大的高温,释放出光和热,也就是电磁波。

由于万有引力的强度是随着距离的增加而快速减弱的,吸积盘外围的引力能够吞噬别的物体却无法阻挡电磁波的逃逸了。另外,由于吸积盘表面的磁场沿着黑洞自转轴的方向会发生扭曲,所以吸积盘会向外发射大量的高速粒子流,形成一种垂直于吸积盘方向的喷流。

现在发现的黑洞主要有两种尺寸,有一种小一点,是恒星的尺度,大概是太阳质量的几倍到几十倍。恒星尺度的黑洞一般是在恒星慢慢燃尽死亡的过程中,最终塌缩形成。

而另外一种黑洞就是超大尺寸的,他们有百万个太阳甚至几百亿个太阳那么大,这样超大尺度的黑洞一般存在于星系的中心,比如我们银河系的中心也有一个很大的黑洞,科学家们也正在拍摄它的照片。

这次拍摄的黑洞在哪?

首先大家别担心,这个黑洞距离我们非常远,有5000多万光年。它的质量是太阳的65亿倍,也就是说它所含的物质接近银河系的1%,实在是太大了。

5000多万光年是什么概念?我们浩瀚的银河系的直径大概是16万光年,包含着几千亿颗恒星,而这个黑洞与我们的距离有300多个银河系连起来那么远。

室女座星系团在室女座的方向,其中包含M87巨型椭圆星系,这个星系中心的黑洞是这次拍摄的对象。室女座就是大家通常说的处女座,是银河系内距离我们几百至几千光年的一些恒星组成的星座。而室女座星系团比室女座要远得多,距离我们有五六千万光年。

光年不是时间单位,而是长度单位。它指的是光或者电磁波在真空中花一年的时间所走的距离。真空中的光速是30万公里每秒。我们地球到太阳的距离,光需要走8.3分钟,而太阳光到达海王星要花四个小时的时间。如果是横穿银河系,光要走上16万年才行。

那么我们这次给黑洞拍照,所拍摄到的电磁波信号,最快也要5000多万年才能够到达地球。

换句话说,我们接收到的是5000多万年以前从黑洞的吸积盘发射出来的电磁波,拍到的是5000多万年以前的它的样子。那个时候地球上的恐龙才灭绝不久,哺乳动物才刚刚开始兴起,印度次大陆和欧亚大陆还没有相撞,喜马拉雅山也都还不存在呢!

为什么拍这么远的黑洞?

最主要的原因还是因为它尽管很远,但是很大。最后大家在照片里看到的黑色阴影区域,比好几个太阳系加起来都大。从下图中可以看到,这个黑洞的阴影区域与太阳系(冥王星轨道)尺寸的比较。图中Voyager 1表示的是1977年发射的旅行者一号(最远的人造飞行器)现在相对太阳的位置。注意黑色阴影区域是真正黑洞大小的(27/4)1/2,约2.6倍。

M87 中心的超大黑洞和太阳系大小的比较

一个天体的直径除以它到地球的距离,是它对我们张开的角度,这个张角决定了它看起来的大小。其实人类这一次拍摄有两个候选黑洞,一个是M87星系中心的超大黑洞,另外一个就是我们银河系中心的超大黑洞。银河系中心的那个黑洞比起这个M87黑洞距离要近2000倍,尺寸也小1500倍,所以张角是差不多的。它们看起来有多小呢?就好像我们从地球上去看月球表面上的一个橙子那么小,所以要拍摄它们是相当困难的。可是人类发现的别的距离地球更近的黑洞质量更小,吸积盘的尺寸也更小,更难拍。

另外这个M87黑洞的吸积盘的中心轴比较正对着地球。这是从哈勃望远镜曾经拍摄到的它的喷流判断的。而且这个黑洞特别地活跃,来自吸积盘的电磁波信号特别地强,所以比银河系中心那个黑洞更好拍。

为什么要给黑洞拍照?

人类第一张黑洞的照片有什么重要的意义呢?这是一个非常深刻的问题,我们不妨在这个问题上稍微多花一点时间。

广义相对论

牛顿发现了万有引力的存在,可以很好地解释天体的运行规律。可是一直以来人们并不知道为什么会有万有引力?万有引力的大小又为什么与天体的质量的乘积成正比,与天体之间距离的平方成反比?

1915年,爱因斯坦提出广义相对论,对万有引力做了解释: 万有引力的本质原因是质量会扭曲周围的时间空间。在很大质量的物体周围,时空扭曲比较明显,就会表现出较大的吸引其他物体的引力。

广义相对论的提出颠覆了全人类对时间和空间的认知。从前人们认为宇宙间的物质仅仅是时间和空间舞台上的参与者,而实际上宇宙间的物质也是时间和空间的构造师。

引用普林斯顿大学教授John Wheeler的总结,广义相对论的精髓是“时空决定物质如何运动,而物质决定时空如何弯曲”。

广义相对论在1919年就被证实了——在日全食的时候,观测到的星光会被太阳的引力所弯折(可以理解为扭曲了时空本身)。此后,时空被质量庞大的天体所扭曲,这一现象有了广泛的应用。比如说引力透镜,就是在遥远星系的光源和我们之间如果有庞大的天体弯折了光线,我们看到的星系就好像是通过光学透镜看到的效果。通过分析到达地球的光一路的弯折情况,人们就可以分析宇宙间的质量分布,哪里有超强的引力弯折效果,就代表哪里有庞大的质量。特别是对于宇宙间大量不参与电磁相互作用,没有任何光或者电磁波的暗物质,通过引力来探测它们是目前最重要的方法。(顺便说一句,我们平时说的可见光是电磁波的一种。)

黑洞:从预言到观测、证实

通过广义相对论,德国物理学家天文学家Karl Schwarzschild和新西兰数学家Roy Patrick Kerr早就预言了黑洞的存在,人们也曾经间接地观测到了黑洞的存在。比如观察星体和物质围绕黑洞的运动情况——庞大的银河系也是围绕着银河中心的黑洞在不断旋转的,通过观察围绕黑洞运动的星体和其他物质,人们可以估算出黑洞的质量以及尺寸等信息。

另外,在物体被黑洞吞噬之前,因为释放出强大的引力能量以及摩擦产生极高的温度,吸积盘可能发射出不寻常的伽马射线,还有垂直吸积盘可能喷发出的喷流等等,这些都曾被探测到。

黑洞的超强引力会引起很多新的物理现象。我们银河系中心的黑洞有400万太阳质量那么大。有人怀疑是它产生了两个伽马射线大泡泡。

可是人们毕竟从来没有真正看到过黑洞本身到底是什么样子。

从三年前,科学家宣布发现了引力波,到现在已经有了至少5次成功的引力波观测记录。第一次发现的引力波来自于两个几十个太阳质量的黑洞的碰撞和融合,人类探测到这个引力波,就像是听到了一次黑洞相撞的声音。

而直接拍摄到来自黑洞周围吸积盘的电磁波,就好比是第一次真的看到黑洞的样子,它的一个重要的意义就是又一次证实了广义相对论。其所拍到的具体图像虽然模糊,但图像的环状和不对称月牙形都已经体现出了符合广义相对论的预测。

了解黑洞和星系演化

除此之外,对黑洞的拍摄可以帮助我们精确地了解黑洞的尺寸和质量,了解黑洞周围吸积盘的形成和运动,了解黑洞的演变。由于小尺寸黑洞的形成往往是来自于恒星的死亡和塌缩,超大质量黑洞也往往存在于星系的中心,所以对黑洞的拍摄和研究,也可以帮助我们去了解星系的演化等等。

黑洞照片是怎么拍的?

这应该是大家都好奇的问题。黑洞不是连光都吞噬掉了吗?那是怎么拍到黑洞的呢?我们不妨把这个问题分成几个部分,我们拍哪里?拍什么信号?用什么东西拍?

大家都知道这张黑洞照片是由事件视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)拍摄获得的。这是从2006年就开始的一个大项目,组织了200多人参与,目标就是观测星系中央超大质量黑洞。

这个“视界“就是黑洞附近光都不能逃出的大致位置范围,视界的周围有一圈庞大的发光发热的飞速旋转的吸积盘,简单地说,我们是接收高速旋转的吸积盘发出的电磁波来拍摄吸积盘以及中间的视界阴影。视界阴影的直径是实际黑洞的2.6倍。

我们拍的是什么信号?

平时我们拍照的时候都是用我们眼睛所能够看得见的可见光,但是在一个黑漆漆的夜晚,如果没有光源,眼睛什么都看不见,就可以用红外线摄像头来捕捉红外线信号。

你和我虽然不发光,但是你我的体温比周围的环境温度要高,比环境物品发出更多的红外线。甚至包括我们打的喷嚏放的屁,在这样红外线摄像头的记录下都无所遁形,温度越高,红外线越强。

来自吸积盘的电磁波除了红外线、可见光、紫外线、伽玛射线,还有不同波长的无线电波,射电望远镜能接收的毫米波段可以相对无障碍地通过我们的大气层,所以这次拍摄的信号是去搜集来自这个黑洞周围吸积盘发出的,波长大约在一毫米的无线电波信号。

电磁波光谱图(来源:Science Varia)

显然这些被拍摄到的信号不是红色或者黄色的光,我们看到照片里的红色和黄色只是表示不同位置拍摄到毫米波信号的强和弱。我们的眼睛是看不到红外线的,但红外线照片可以把信号转成黑白图片,白的位置代表信号强,黑的代表信号弱。

为了让我们视觉上看得更清楚,也可以用不同的色彩来表示信号的强弱,并不是说真的拍到了有色光的照片。

用什么设备拍黑洞?

刚才我们提到可以接收这些毫米波的射电望远镜不是单独一个,而是八组射电望远镜,分布在智利、夏威夷、南极洲、亚利桑那、西班牙和墨西哥。其中包括位于南极洲的直径十米的南极射电望远镜,以及位于智利和夏威夷的两个大型射电望远镜阵列。

他们加在一起同步拍摄,利用一种叫做甚长基线干涉仪的技术(Very Long Baseline Interferometry),让这些跨越半个地球的射电望远镜组合起来,达到一个直径相当于地球尺寸的超大望远镜的效果。望远镜的角分辨率大约等于波长除以有效直径。有效直径越大,就能够分辨张角越小的天体。

他们靠原子钟来完成同步时间,用波的干涉原理来处理数据,终于完成了看似不可能的任务:去拍摄一个看起来像月球上放了一个橙子,那么小的一个点。

中国参与拍摄黑洞了吗?

其实中国的科学家和射电望远镜在前期定位M87拍摄计划的时候是有贡献的。但是中国的射电望远镜没有直接参与这一次的八组射电望远镜组合有两个原因。

首先,中国在东半球。当那八个望远镜所在的地方对着那个黑洞的时候,中国在地球的背面,没办法同步观测。

另外,中国的大型射电望远镜,比如贵州天眼,接收的电磁波的波长,与这次同步黑洞拍摄所用的毫米波的波长也略有差别。

为什么黑洞照片如此模糊?

归根结底就是因为实在是太小了,相当于用有效直径达到地球这么大的望远镜,放大倍数如此之大仍然只能拍到有限的少量像素点。

地球只有这么大,这项技术是不是到这里就到头了呢?

实际上用多个射电望远镜组合起来进行干涉的超长基线干涉仪系统,是可以借助被发射到空中的射电望远镜一起来工作的。那样就可以得到有效直径比地球尺寸更大的望远镜,可以拍得更清楚,也可以拍更小的天体。

有效直径比地球更大的望远镜系统示意图(来源:知乎)

为什么黑洞照片需要用两年时间才洗出来?

所谓的洗出来就是从拍摄的大量的数据当中,找到有用的信号,还原出被拍摄物体上每个位置的电磁波信号强度,生成出这张照片。

之所以这么慢,首先是因为从八个观测点的射电望远镜连续五天所观测到的数据太多了,一共用了半吨的硬盘,如此庞大的数据,要用大量的时间来处理。

其次,八个观测点的数据综合起来,用干涉的办法去还原波源的信息,需要非常复杂的算法。最大的挑战在于精准的校对同一个信号到达不同位置的时间差,然后综合不同望远镜的位置信息,信号的强度以及时间差,推出电磁波的强度和位置。

而且这半吨的硬盘数据里不仅仅是黑洞吸积盘的信号,还包括天空中各种各样复杂凌乱的噪音数据,都需要被小心地鉴别剔除。

另外为了避免人为错误造成的误差,后期处理的时候是由两组团队分别进行,然后再把结果拿到一起校对,才能减少因人为错误对最终结果造成的影响。于是花了两年,终于在2019年的4月公布了第一张人类所拍摄的黑洞照片。

满教授的寄语

一场轰轰烈烈的、刷爆朋友圈的见证人类首张黑洞照片问世的事件已经落幕了。希望我们的听众朋友不仅仅是赶了一次时髦,看了一次热闹,而是能够一直不停地去学习下去,思考下去。

今天我给大家讲的这些内容,有很多也是我的一些具有基本专业背景的人问过我的问题,在去回答这些问题的时候,我也思考和学到了很多。

希望大家在惊叹于人类科技各种不可思议的伟大成就的同时,并不把这一切都当做理所当然,而是保持好奇心,一直去发问、去思考,甚至包括去质疑。

不仅知道什么东西叫什么名字,更重要的是理解什么东西为什么。

你想想,在一两千年以前人类还在刀耕火种。340年以前,瓦特才发明了蒸汽机,莱特兄弟的第一架飞机是1903年才发明的,而第一部手机的发明是1973年,也就是不到50年以前。

人类科技发展曲线图(来源:M.Hilbert)

我们处在科技前所未有的加速飞速发展时期。人类科学技术在几十年甚至十几年里取得的进步,远远大于曾经几十万年漫长的进化结果,从人类第一次有了电,有了机器,人类最开始有了激光,有了计算机,有了互联网,一个相对来说比较短暂的时间里,在宇宙中如此渺小的人类创造出了很多的奇迹,为的是去窥探如此宏大如此遥远的宇宙。

未来的几十年,科技又会发展成什么样呢?仅仅满足于前人告诉你的书本上的知识,将会是远远不够的,我们要有能力一直学习和思考。

我们每一个人相对于地球来说是那么的渺小,我们的地球相对于宇宙来说更加是微不足道。但是爱好科学还有天文,能让我们拥抱如此了不起的宇宙。

吾生也有涯,而知无涯。

让我们每个人一边意识到自己的微不足道,一边着眼于广袤的世界,去见证人类文明的每一次辉煌,甚至去亲自参与缔造。你也可以的!

- 答读者问 -

为什么哈勃望远镜拍到的星系大多是扁扁的(椭圆的),而第一次拍到的黑洞照片,就是“圆”的,比较正对着地球?

是的,星系都有自转,通常都是盘状的,盘面垂直于自转轴。所以从任意角度观察一个星系,大概率看起来是椭圆的(扁的),只有刚好从正面看,星系才不是扁的。

而从哈勃望远镜拍到的M87黑洞的喷流照片可以看出,M87的喷流方向比较正对着哈勃望远镜,也就是说这个黑洞的吸积盘盘面确实比较正对着地球。这是这个黑洞比较容易被发现和被拍摄的原因之一。

值得注意的是,因为黑洞强大的引力,即使从黑洞吸积盘侧面去看也不是椭圆的,或者薄薄的盘沿。

如上图所示,图中红色部分代表黑洞的吸积盘。如果观测和拍摄的方向是斜着侧对着黑洞的吸积盘(右侧灰色线段代表信号接收器),由于黑洞强大的引力弯折效应,吸积盘上方和下方的电磁波(光线)都可以被大幅度弯折,而到达右侧的接收器。所以侧面接收器接收到的图像(由右图显示)不是一个薄薄的吸积盘盘沿,而是在视界阴影上下很大范围内都有信号,其显示的形状和尺寸由黑洞的引力(时空弯折效应)分布决定。

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