黑洞是什么?
我们之所以能看见物体,是因为有光子进入我们的眼睛,那么黑洞(Black Hole)呢?
我们知道,黑洞说的就是某个时空区域,由于引力非常强,以至于速度最快的光子都没有办法逃离。连光子都没有办法逃离,也就是没办法被我们看见,所以被称为黑洞。
黑洞有什么特点?
任何质量的物体,都对应有一个临界半径,物体如果被压缩成球体,其半径小于这个临界半径后就会发生重力坍缩。
这也就意味着,其实你也可以被压成黑洞,前提是有办法把你压缩到很小很小,小到几乎看不见。
如果让地球变成一个黑洞,就要把地球缩小到10亿倍,压到18毫米,相当于1分钱的直径那么大。
如果让太阳变成一个黑洞,要把太阳缩小到10万倍,压到6千米那么大,密度高达每立方厘米200亿吨。
一旦形成黑洞,就会在周围形成一个界面,这个界面被称作视界面(event horizon),它就像一堵无形的墙将内部被高度扭曲的时空和外界时空隔离开,该界面以内的物质都无法逃离,即使光也不例外,之后其本身将继续收缩成为密度无限大的奇点。
光是让我们能够了解信息的使者,如果连光都无法逃离该视界面,那就相当于没有使者告诉我们黑洞视界里面发生什么事情。
给黑洞拍照?究竟是拍什么呢?其实就是拍摄黑洞的“暗影”。那么,什么是“暗影”,就是指视界面以内看不见的区域吗?它是纯黑暗的吗?
并非如此,“暗影”不纯暗!今年4月5日至14日开展的拍照黑洞,就是希望能够拍摄到黑洞的“暗影”。
2000年,Falcke等天文学家们首次基于广义相对论下的光线追踪程序,模拟出银河系中心黑洞Sgr A*看起来的样子。
根据他们的模拟结果,如果黑洞后面有一个类似于吸积盘的平面光源(planar-emitting source),平面光源发出的光子,会受到黑洞的强引力场的影响。天空平面(与视线方向垂直的面)会被一个名为黑洞“视边界”(apparent boundary)的圆环一分为二。
一边是在视边界圆环以内的光子,只要在视界面以外,就能逃离黑洞,但受到很强的引力作用,亮度低;一边是在视边界圆环以外的光子,能绕着黑洞绕转多圈,积累的亮度足够高。
这样的结果是,从视觉上,我们就会看到在视边界内侧的亮度明显更弱,相比之下,看起来就像一个圆形的阴影,外面包围着一个明亮的光环。故此得名黑洞的“暗影”(black hole shadow)。广义相对论预言,将会看到一个近似圆形的暗影被一圈光子圆环包围。由于旋转效应,黑洞左侧更亮。
如果不自转黑洞的视界半径与史瓦西半径大小相同,将其记为r,那么它的视边界就是2.6r;具有相同黑洞质量但自转值最大的黑洞呢,视边界半径就约是2.3r。
这说明黑洞视边界的尺寸与r有关,而与黑洞的自转关系不大,而r又主要与黑洞质量有关,因此可以说,黑洞质量是决定 “视边界”尺寸的主要因素。
那又为什么要给黑洞拍照呢?
主要有三个目标。
第一,验证广义相对论。
广义相对论预言了黑洞“暗影”的存在、尺寸和形状。如果观测结果与预言相符,那就验证了广义相对论;如果有所不一样,则说明有一些新的方面需要改进。
第二,理解黑洞是如何吃东西的。
黑洞的“暗影”区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域,这里的信息尤为关键,综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息,就能更好地重构黑洞吃东西的物理过程。
第三,理解喷流的产生和方向。
某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前,会由于磁场的作用,沿着黑洞的转动方向被喷出去。
以前收集的信息多是更大尺度上的,却没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么,现在对黑洞暗影的拍摄,就能助科学家一臂之力。
黑洞本身很简单,但是从数据中挖掘出来的细节很大程度上取决于黑洞周围复杂的环境,因此我们需要能建模重构出这些复杂的环境。
数据量之多,处理难度之大,造成黑洞暗影的照片被处理出来还需要近一年的时间,预期最快2018年上半年能看到处理结果。
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