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(科普)关于黑洞的"视界" - 囚禁所有物质能量

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qiugb 发表于 2011-8-30 16:28 | 显示全部楼层 |阅读模式

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++2017-04-10 修改标题
   新标题:  (科普)关于黑洞的视界 -  囚禁所有物质能量
   原标题:  (科普)解读神秘黑洞:存在一个视界 囚禁所有物质能量

  
  
-----------原贴内容--------------
2011年08月30日 10:55 来源:北京青年报 


  ■主讲人:苏宜,南开大学教授
  开场白
  关于黑洞,法国天文学家卢米涅(Luminet)说过一段话,他说:“黑洞是恒星死亡后的一种残骸,它是引力收缩的极点,极端到近乎荒唐(指它的一些性质用现有的物理学知识无法解释)。但它又是宇宙当中最精美的天体。了解黑洞并深感困惑之后,会使我们进入一个展示时间、空间、光和物质深刻本质的更加深邃的新视野。”
  ■压缩到引力半径以内
  黑洞(Black hole)这个名词,是1968年由美国天文学家惠勒(Wheeler)在一个报告里面提出的。但有关黑洞的概念,早就有科学家通过数学公式推导出来了。比如说1796年法国科学家拉普拉斯(Laplace)就在著作里写了一段话。他说假如有一个恒星,密度跟地球一样,而直径比太阳大250倍,那么它表面的逃逸速度将超过光的传播速度。恒星本来应该是发光的,但是从远方看这个恒星,它却是绝对黑暗的,你不可能看到它。为什么呢?Laplace的解释就是逃逸速度。
  地球的逃逸速度是11.2公里每秒,还有一个环绕速度是7.9公里每秒。我们没有谁扔个石头能永远不掉下来,为什么?因为人扔石头的速度很小,不可能大到7.9公里每秒,大到这个数的话,石头就不会被地球的引力吸引下来,就会绕着地球转,这就是人造卫星飞行的原理。如果速度达到11.2公里每秒,那么就会使物体飞离地球引力场,再也不会回来,这就叫逃逸速度。
  那么,当初Laplace假设的恒星逃逸速度已经超过光速,也就是说光这种小粒子的飞行速度没有达到逃逸速度,逃不开该恒星的引力,飞不出来,所以外界不可能看到这颗恒星的存在。Laplace所说的其实就是黑洞的概念。不过Laplace依据的是牛顿经典力学,对时空本性的认识还没有达到现代物理学的深度。而且Laplace的著作出版后不久,物理学家杨(Young)发现光具有波动性,而不是小粒子,Laplace的著作再版时就把那段文字删掉了。
  科学在发展。1915年11月,爱因斯坦发表了广义相对论,主要的思想是说时空是弯曲的。按牛顿理论,时空是平直的。爱因斯坦说,因为宇宙当中处处有天体,天体的质量越大体积越小,引力越强,它周围的时空就弯曲的越厉害。广义相对论发表之后只有一个月,他的同事、天文学家史瓦西(Schwarzchild)就用这个理论推导出一个重要的数值——引力半径。
  史瓦西半径公式很简单:引力半径Rg=2GM/C2。G是引力常数,M是天体质量,c是光速。只要知道天体质量,一定可以算出来一个Rg。这个公式是什么含义呢?如果一个天体的全部质量都被压缩到它的引力半径的范围之内的话,按照广义相对论,天体周围的时空就极度弯曲到完全封闭,里面什么东西都跑不出来,包括光子和任何能量、物质、信息。外界不可能看到它,那么这个东西就是黑洞。
  在约定单位的情况下,史瓦西半径公式可以简化为Rg=2.95M[km]。M必须以太阳质量为单位,算出的引力半径Rg值以公里为单位。
  不难算出太阳的史瓦西半径是2.95公里。如果把太阳的全部质量都压缩到直径小于6公里的范围内,太阳就变成黑洞;如果我们有兴趣算一算地球,它的引力半径是8.9毫米,把整个地球压成一粒葡萄那么大,地球就变成黑洞了。当然这只是数学计算。太阳跟地球都不可能变成黑洞,因为没有什么力能把它们作如此的压缩。但是宇宙当中的大恒星在超爆以后是可能被压缩成黑洞的。
  ■两个力的平衡
  恒星有两个最主要的特点,第一是它有巨大的质量。太阳的质量为2×1027吨,只能算是一颗中下等质量的小恒星。按照牛顿的引力定律,有质量就有引力,每一部分都和相邻的部分有引力,引力累加起来的结果,就是把整个恒星的物质向中心挤压。那这么一挤恒星还能存在吗?事实上,太阳天天照耀我们,没有被压垮,是因为恒星还有另外一个特点——极强烈的热核反应,由热核反应产生的巨大的向外扩张的压力与引力相平衡,才能保持恒星长期稳定的存在。
  最主要的热核反应是氢原子核聚变为氦原子核的反应。氢原子核是一个质子,氦原子核里边是两个质子加两个中子。当四个氢原子核,也就是四个质子,在高温高压的条件下聚在一起变成一个氦原子核,结果四个质子里有两个变成中子了。聚变前后,质量有亏损。质量哪去了?变成了核能辐射出来。这是近代物理学从爱因斯坦开始,相对论跟量子力学揭示出来的物质世界的深刻的本质。
  那么好了,由于恒星内部不断地进行着热核聚变反应,结果一定是获得极高的温度,你们学物理都知道,温度越高体积越大,它有一个向外膨胀的压力,与引力相平衡。太阳内部的热核反应规模,相当于一秒钟爆炸二十亿颗氢弹,一秒一秒不断地爆炸,才有这个太阳存在。质量比太阳大的恒星热核反应的规模就更大。
  一个恒星不管大小,一定是质量产生的引力跟热核反应产生的压力,两个力刚好平衡,这个恒星就能够稳定地存在。存在的寿命有多长?看这个星的质量大小。质量越大,寿命越短。像太阳这样的恒星能够维持大概一百亿年。
  ■恒星会死的
  恒星不是永恒,当它的热核反应不能进行的时候,它就要消亡。核燃料总有用完的一天,用完了,失去了向外抵抗的压力,那个向中心的引力马上就起作用,恒星马上就要塌缩。所以恒星跟我们人一样,有生有死。最后怎么个死法?死亡的方式由它的质量来决定。
  热核反应有好多种,氢到氦的聚变反应是最基础的,或者说是产能效率最高的一种。聚变完了以后,氢都没了,一大堆全是氦了,下一步它就会进行更高级别的热核反应,由氦变成碳,由碳变成氧,变成镁,变成硅,变成硫,变成氩,变成钙,变成钛、铬、铁……在恒星内部进行这种聚变反应到铁为止——元素周期表上铁后面不是还有吗?铜啊银啊金啊更重的元素,那不行了,铁以后的元素只能是裂变才能产生能量。铁原子核的出现意味着恒星到了暮年,跟人一样,老得快动不了了,即将走向死亡。
  质量比较小的恒星,像太阳,它的热核反应只能到恒星大部分变成碳为止,氢变氦,氦变碳。它的质量太小,内部的压力不够,碳再也不能聚变了。现在推算,50亿年后,太阳中间是个碳核,外围有一些氦,再外围还有一些氢,太阳会膨胀到比地球轨道还要大,地球轨道半径是1.5亿公里,这时地球就完蛋了,肯定熔化了。到了这个阶段,碳不能聚变了,引力就会使恒星塌缩,缩成白矮星,体积缩小到同地球差不多大了,但密度非常高。有人戏称,那个时候的太阳核心就是一个极大的钻石。钻石是碳元素的另一种结构。太阳变成像整个地球那么大的一块钻石,外围还有一片体积硕大的弥漫星云。当然了,人早没了。
  生物是从小长到大,天体是从大长到小。太阳宝宝开始特别大,在引力作用下,缩缩缩,缩成正常太阳,维持很长很长时间,到最后它又变大,变成红巨星,最后红巨星也没了,剩下的东西就是那个碳核,变成白矮星+弥漫星云,这就结束了一生,整个历程是一百亿年,现在走了一半,五十亿年。
  我们在座的人谁也等不到看五十亿年之后的太阳,但是天文学家在银河系内部找到好多个已走到这一步的别的恒星。像天琴座环状星云、宝瓶座螺旋星云、天龙座猫眼石星云、矩尺座蚂蚁星云等,都是由小恒星死后变过来的,看起来很漂亮,中间是白矮星,外围是星云。
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 楼主| qiugb 发表于 2011-8-30 16:29 | 显示全部楼层
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 ■超新星爆发  所谓大恒星,通常来讲质量比太阳大八倍或者8.5倍以上。大恒星会有更深层次的一大串热核反应,最后一直进行到产生铁核。晚年阶段的大恒星像一个熊熊燃烧的巨大无比的热核反应炉,极度地膨胀,直径比土星绕太阳的公转轨道还要大。但它不可能维持长久,一旦热核反应全部停止,顶不住引力了,那么大的范围,那么多的质量往中间聚拢,速度非常高,比地球自由落体厉害得多,最后撞上中间的铁核。这时候在极高的压力下,铁元素原子核已经变成全部由中子组成的中子核,这个中子核你是摇不动的,比铜墙铁壁厉害得多,那么先前撞上的往外反弹,外面的往里拥,两个速度相对更厉害,撞的一塌糊涂,砰!能量就会突然地爆发,这就叫——超新星爆发。爆发能量超过太阳一生总辐射能量的100倍!
  人死时不会蹦起来爆发的,大恒星快没气时会突然蹦起来大爆发,这就是大恒星的性格。大恒星死了,但是它催生下一代恒星。而且超新星爆发是把铁以后的那些元素创造出来的条件。我们在座爱美的女士们披金戴银,各种贵金属怎么来的?如果没有超新星爆发,不可能有这些元素。没有往日恒星的壮烈爆发,就没有今天多彩斑斓的宇宙。
  ■恒星的几种结局

  大恒星超爆以后剩下那个残骸,那个中子核,会怎么变?这里就要提到近代天体物理学两个非常重要的极限值。
  一个叫钱德拉塞卡极限。钱德拉塞卡是一位美籍印度天文学家,他计算出来一个极限值,获得1983年诺贝尔物理学奖。他说,停止热核反应的恒星,质量数如果小于1.44倍太阳质量,它会变成白矮星;质量数如果超过1.44倍太阳质量,它会进一步塌缩——那就引出第二个极限,奥本海默极限
  奥本海默也是一位著名的美国物理学家,被称为“原子弹之父”。他算出来了,如果一个冷恒星,超过1.44太阳质量但小于3倍太阳质量,它会进一步塌缩,变成中子星。如果大于3倍太阳质量的话,那么质量越大引力越强,强劲到能够把中子星都压垮,那就是黑洞。
  那么恒星死亡的结局可以归类为这么几种:小于2.3倍太阳质量的恒星会正常死亡,没有超爆,最后变成白矮星;2.3到8.5倍太阳质量的恒星会超爆,它没有中子核,所以什么都没有留下;大于8.5倍太阳质量的恒星,超爆以后会留下中子核——看它留下的质量是多少,大于1.44是中子星,大于3是黑洞。
  ■黑洞的奇妙性格
  黑洞第一个奇妙性质是它存在一个视界,物质进了这个界限,里边的光子就跑不出来,外面的人就永远看不到它。就是史瓦西算出来的那个界限。在视界之内,所有的物质只能向中心奇点聚集,任何两点之间以及它们同视界以外,不可能有任何信号联系。
  在视界范围里头,质量全部集中在中心奇点,这个奇点体积为零,密度为无穷大。这违背所有已知的物理学规律——世界上有什么东西只有质量没有体积不占空间吗?
  视界不是实体,是一个囚笼,所有物质、能量都被囚禁在中央奇点上,无法逃脱。光跑不出来,任何时候看它都是绝对黑暗的。里边的跑不出来,可是外面的东西碰到它一定会被吸进去再也出不来,因为它有强大的引力,是个无底深洞,西方叫Black hole,翻成黑洞两个汉字是很贴切的。
  黑洞的第二个性质,它有强大的引潮力。海边潮水会涨会退,是太阳跟月亮的引潮力造成的。引潮力就是把全地球的海水两头拽的力。引潮力的大小跟天体质量成正比,跟距离的立方成反比。太阳跟月亮的引潮力都很小。但假如这个天体是黑洞,我们假设它有十个太阳质量,它的引潮力会非常强大。进到距离它四百万公里范围之内,一般的物质结构都会被解体。假设说未来我们的飞船要去探测这个黑洞,你够结实,进到距离它四百万公里范围之内去了,你越往里飞,引潮力越大,可千万别接近视界,否则就会一头栽进奇点就什么都不是了——好,我不进去,我在视界上待一会儿怎么样?这可以计算,视界上一个人体受到的引潮力是一百万吨,两头拽着。
  黑洞还有更奇妙的时空特性。我们的空间是三维,三个方向运动,时间是一维的。可是在黑洞视界内部,空间变成一维了,而且单向,一头栽向奇点,没有向别的方向运动的可能。栽到奇点,就时空都不存在。还有时间冻结,是指相对论所描述的、不同系统里头的时空不一样,空间会缩短,时间会变慢。
  中国一句老话,山中方七日,世上几千年,神仙一盘棋还没下完,人间几千年过去了,这是神话,可相对论告诉我们,真可能有这样的事。飞往黑洞的飞船,里边的时间会越来越慢。真的到达黑洞视界表面的时候,时间慢到了无穷大,所以地球上的人永远也看不到飞船是怎么到视界,怎么进黑洞的。假设这个画面要往地球上传,要传无穷长的时间才能传到——就是永远传不到。叫做“时间冻结”。
  还有,恒星是旋转的,恒星变成黑洞是塌缩的结果,一塌缩,转速就要加快,这是物理学的角动量守恒原理。黑洞极端的时候会达到每秒钟五千转。这种高速转动会使它周围的时空被拖拽着一块旋转,这就是时空旋转效应——注意不是什么东西在转,是整个时空在转。现在已经探测到这个现象。

 楼主| qiugb 发表于 2011-8-30 16:29 | 显示全部楼层

■黑洞已经找到了  那么,这些理论真的可靠吗?现在天文探测已经回答了这个问题。
  蟹状星云在金牛座。公元1054年,就是我们北宋仁宗的时候,历史书有记载,当时的宋朝人看到了天上有一个超新星爆发,恒星爆掉没有了,剩下的东西就是这个蟹状星云。现代天文学家在它的中心部分看到了一个中子星。
  黑洞也探测到了。当然这非常困难的,因为原则上你看不见它。天文学家不甘心,想各种各样的办法,目前正在用的一种方法就是探测黑洞双星。

  什么叫黑洞双星?我们的太阳是个单身汉,它要有老伴我们地球上的生命反而活不成了,不过银河系里的恒星大多数是一对一对的,是双星。如果其中一个又亮又大,我们用望远镜看得见,旁边那个已经变成黑洞,跟亮星互相绕着转,那么它强大的引力场会把同伴星的物质吸引过来,高速旋转。高速旋转的时候,一定会发出强劲的X射线。那好了,我们探测什么地方发出X射线,进一步考察那里是不是一对双星,再推是不是存在黑洞。
  70年代以来,以美国、欧洲为主,发射了一系列的卫星专门探测X射线,现在一共找到15万个X射线源,当然不一定都有黑洞。人类探测到的第一个黑洞是天鹅X-1,位于天鹅座。双星旋转的周期是5.6天转一圈,相距三千万公里。看得见的是一颗九等星,X射线是黑洞外围高速运转的电子发出来的,离我们八千光年。整个七十年代,一共发现四个黑洞,国际天文学界戏称“黑洞四人帮”。一直找到现在,也就发现了十来个黑洞。
  遥远的M100星系,在后发座,1979年的时候观测到里面一个超新星爆发,到了2010年的11月份,发现这里有一个黑洞,是超新星爆发以后形成的,也就是说这个黑洞诞生才20来年,是已知最年轻的黑洞——好多媒体都误解了,你不要以为这个黑洞是现在形成的,它是五千万年以前形成的,因为它距离地球是五千万光年。
  除了恒星超爆以后形成的黑洞,还有更大的黑洞。现在基本上认为星系中央普遍存在巨型黑洞。像银河系中心的巨型黑洞,质量比太阳大260万倍,视界半径760万公里,这个已经很明确地探测到了。
  争论
  索恩VS霍金——时间机器之争
  白洞(white hole)是由科学的对称性引申出来的一种猜想。对称性是当代物理学最重要的中心思想之一。那么根据对称性,把黑洞反过来就是白洞。
  白洞是黑洞的时间反演。白洞也有视界和奇点。所有物质、能量和信息都不能进入白洞的视界,只能从视界内部逃逸出来。白洞是宇宙中的喷射源。白洞的奇点里藏匿着无穷尽的物质。迄今为止,没有任何物理理论能够给出像黑洞形成机制那样的形成白洞的机制,也从来没有在实际的天文观测中发现具有白洞特征的任何天体或天文现象。迄今为止,白洞只是理论上的一种猜想。
  那么虫洞(Wormhole),就更奇妙。做个比喻,一个苹果,里边有虫子,在你看不见的地方,虫子拱出来的那个洞、那个隧道,就是虫洞。它连着黑洞的奇点跟白洞的奇点,是某种神秘的通道。掉进了黑洞,顺着这个通道到白洞,一下子又喷出来了,就是这样一种猜想。
  科幻小说里面经常会提到时间机器,人这头进去是现代,那头冒出来也许是古代也许是未来。以前,关于时间机器的幻想都是没有科学根据的,因为这些科幻作品主要描写的是超光速飞行。光不是一秒30万公里吗,我这飞行器速度比光还要快,我往前追,总有一天跑到秦始皇那个年代去,等着瞧他怎么焚书坑儒。可是这个东西被相对论所否定,因为任何飞行不可能超光速。出现虫洞的说法后,情况有所变化。
  美国当代著名的天体物理学家索恩(Thorne)写了两篇介绍虫洞的文章,说有了虫洞,有可能实现时间机器,跑到古代或未来。他举例说,地球距织女星是26光年,这是在四维的宇宙时空里。如果地球旁边有一个黑洞,这个黑洞的奇点与另一个白洞的奇点由虫洞连接着,而白洞却在织女星旁边。设想一艘飞船掉进黑洞以后,通过虫洞,从织女星旁边的白洞又冒出来,那也许一天或者两个钟头就完成了。在这里等着看26年来地球上发生的事情,就等于回到了从前。
  注意索恩写的不是科幻文章,而是严肃的科学文章,他依据的还是广义相对论。但相对论所描述的虫洞不在现实的四维时空里,而在所谓的“超空间”里头。超空间在哪里?连爱因斯坦也说,我们人类能意识到的空间都是现实空间,超空间只有理论描述,只能意会不能言传。
  索恩的好朋友霍金却不同意他的说法。霍金说,超空间里的虫洞,按照相对论,存在的时间极短,出现了马上就没了,这个时间是10的负十几次方秒,短到连一眨眼都形容不了,飞船想要飞过去是不可能的。任何企图穿过虫洞的事物,不等你冒出来,虫洞就关闭了,还是死在那里头了。而且按照相对论,虫洞内部有负压力,虫洞直径越小,压力越大,那么你要想飞船安全的话,就要把直径做得很大。比如说虫洞直径要有1光年那么大,飞船才能安全通过,这有可能吗?
  但是索恩并没有放弃。他说未来的人类也许会有高超的技术,能让飞船能发出一种具有负能量的物质——存在强大的斥力,把虫洞长时间地撑住,飞船不就过去了吗?
  霍金还是否定他。霍金说你怎么着也不行,因为物理定律不允许有时间机器,所谓时间,只能向前不能向后,任何事物总是前因后果,历史不能被破坏。不管你想制造、运用什么样的时间机器,总会有某种规律使你不能成功。你要问什么规律?谁也不知道。西方人也许会认为冥冥之中有上帝。这就是霍金跟索恩,两位当代的大物理学家彼此都不能说服的争论。
  最后索恩说了一句比较中肯的话,他说在物理学深刻认识量子引力理论之前,我们谁也不能下结论。量子引力理论就是将量子力学跟相对论统一起来的新物理理论,爱因斯坦的后半生孜孜以求但没有做出来,直到现在,全世界那么多物理学家,谁也没有做出来。
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 楼主| qiugb 发表于 2011-8-30 16:30 | 显示全部楼层

这篇科普文真得很好啊,通俗易懂,我一看就理解了

ziluolan 发表于 2011-8-30 20:53 | 显示全部楼层

qiugb 发表于 2011-8-30 16:30
这篇科普文真得很好啊,通俗易懂,我一看就理解了

非常感谢,第一次看到这样的文章。长了不少见识。看了能懂,容易记住,容易理解。
如有宇宙如何形成的科普类文章,也请发来,好吗。大家一起看看。
ziluolan 发表于 2011-8-30 20:55 | 显示全部楼层

也曾经看过宇宙诞生的一些,有些生涩。
比如宇宙诞生前,是什么?有空间吗?是什么诞生了宇宙?宇宙的中心在哪里,它的边缘在哪里?有几个宇宙吗?

点评

同感啊  发表于 2011-8-30 22:06
ziluolan 发表于 2011-8-30 20:59 | 显示全部楼层

银河系里有黑洞。太阳系里有已知黑洞吗?
如果人类未探明那个黑洞,而恰巧探测器经过那里,不是就被吸进去了?失踪。

点评

MD的旅行者1号2号还有先驱者10号11号  发表于 2011-8-31 09:45
曾经看到一篇文章,说人类最远的探测器已经到了太阳系的边缘,是吗  发表于 2011-8-30 22:15
以我现有的知识,银河系是有黑洞,太阳系就不用担心黑洞了  发表于 2011-8-30 22:07
 楼主| qiugb 发表于 2011-8-30 22:17 | 显示全部楼层

我经常在想,我们宇宙是不是也像个黑洞似的东西,边缘是个大视界,外面的东西我们根本看不到呢

ziluolan 发表于 2011-8-30 22:37 | 显示全部楼层

宇宙无边无际,空间永远延伸吧。有人说有多个宇宙,而且是平行的。我却想,是宇宙套着宇宙,呵呵
 楼主| qiugb 发表于 2011-8-31 09:31 | 显示全部楼层

宇宙怎么会无边无际呢,宇宙的边界应该就是宇宙诞生到现在光所走过的距离137亿光年,137亿光年以外的空间是什么样的呢?

淡淡de无聊 发表于 2011-9-12 04:37 | 显示全部楼层

宇宙怎么会无边无际呢,宇宙的边界应该就是宇宙诞生到现在光所走过的距离137亿光年,137亿光年以外的空间是什么样的呢?

137亿光年以外的空间是另外的宇宙。无数个宇宙按照不同排列组成了氢或氦,形成了物质,这些物质形成了星球,很多星球组成了星系,很多星系的中心是一个黑洞,我们把这些星系叫做宇宙。。。。。。
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hkhtg090201 发表于 2017-4-10 10:20 | 显示全部楼层
视界面望远镜:为黑洞拍下史上第一张“照片”
2017年04月10日  新浪综合

来源:中国科普博览  研究黑洞将近20年,我常常被人问到“黑洞是什么样的”。
  说实话,我并不确定。
  除了在论文课件中自制的效果图,第一次“亲眼”看到黑洞形象是2015年在电影院里,荧幕上是《星际穿越》中的黑洞“卡冈图雅”——深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆环——相对论物理学家基普·索恩为影片设计的黑洞形象(见图一),和想象中的相差无几。
图一:电影星际穿越当中的黑洞,周围的亮环是由气体构成的吸积盘
  从广义相对论推知而来的黑洞,就存在于宇宙深处,这一点在21世纪的今天或已无可置疑。
  黑洞确凿地存在于无数观测数据之中,但我们并不知道它在现实中的真实模样。
  如今,人类终于要为黑洞拍下第一张真正的照片了
  就在今年的4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们将开展一项雄心勃勃的庞大观测计划利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,人类或将第一次看到黑洞的视界面。这个虚拟的望远镜网络被称为“视界面望远镜”(Event Horizon Telescope, EHT),其有效口径尺寸将达到地球直径大小。
  人类在2015年第一次听到了两个黑洞相互绕转合并所产生的引力波之声,如今科学家们又在为亲眼目睹黑洞真容而努力了。
  不过,因为视界面望远镜要处理的数据量巨大,为黑洞“洗照片”的耗时恐怕有些漫长,黑洞的面貌究竟是否真如作家、艺术家或电影导演所呈现的那般,我们要到2018年才能知道了
  无论我们最终得到的黑洞图像是什么样子——是像电影画面一般壮观恢弘,或者只有几个模糊的像素点——视界面望远镜都意义非凡,这是我们在黑洞观测史上迈出的重要一步。观测结果不仅仅是一张照片那么简单,它一方面呼应着爱因斯坦的广义相对论,一方面也将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的
  我们将成为有史以来第一批“看见”黑洞的人类,真是好运气。
  一、无图无真相,科学家怎么知道黑洞在那里?
  尽管“黑洞”(black hole)一词在1968年才由美国天体物理学家约翰·惠勒提出来,但早在1783年,英国地理学家约翰·米歇尔(John Michell)便已经意识到:一个致密天体的密度可以大到连光都无法逃逸。这也是普通人在今天对于黑洞的最基本认识:吸入所有一切,连光都逃不
  既然想一睹黑洞“芳容”,我们对这个遥远天体的认识就得再多些。黑洞的几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,“奇点”在其周围形成一个强大的引力场,在一定范围之内,连光线都无法逃脱。
  光线不能逃脱的临界半径被称为“视界面”——顾名思义就是视线所能到达的界面。
  你大概感到好奇:登山家们勇攀高峰的原因是“山就在那里”,可是,既然天文学家们根本看不到黑洞,他们是怎么确定“黑洞就在那里”的呢?
  黑洞自身不发光,难以直接探测,大大小小的望远镜对于直接观测遥远黑洞力不能逮。科学家们便只能够“曲线救国”,采用一些间接方式来探测黑洞——比如观察吸积盘和喷流
  在某些时候,恒星量级(从3个太阳质量到100个太阳质量大小)的黑洞会存在于一个恒星周围,将恒星的气体撕扯到它自己身边,产生一个围绕黑洞旋转的气体盘,即吸积盘
  当吸积气体过多,一部分气体在掉入黑洞视界面之前,在磁场的作用下被沿转动方向抛射出去,形成喷流
  吸积盘和喷流两种现象(见图二)都因气体摩擦而产生了明亮的光与大量辐射,所以很容易被科学家探测到,黑洞的藏身之处也就暴露了。
图二:恒星级黑洞系统示意图
  理论很丰满,现实很骨感。
  以我们的银河系为例,根据理论推算,银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞,可到目前为止,我们只确认了20多个黑洞的存在,此外还有4、50个黑洞候选体。
  要最终真正确认一个天体是否为黑洞,我们还需要做出更多测量与计算。要探测一个从几十万个太阳质量到几十亿甚至上百亿个太阳质量的超大质量黑洞,挑战就更大了,科学家们为了确认银河系中心黑洞Sgr A*的存在,着实费了不少力气。
  二、望向银河中心黑洞的视界面,犹如在地球上看月球上的橙子
  发现黑洞已如此不易,给它拍照岂不是更难?
  从17世纪初人类发明望远镜至今,天文望远镜的口径已变得越来越大,从最早的2.5厘米口径,到目前最大的10米口径光学望远镜,还有我国贵州的500米口径射电望远镜,下一代更大口径的望远镜也正在计划或建设当中,这些望远镜无一不凝结了人类的智慧,甚至代表了人类社会的最高科技水平。
  然而,要想观测遥远黑洞,依靠目前任何单个望远镜都还远远不够。
  因此,在过去10多年时间里,麻省理工学院(MIT)的科学家们联合了其它研究机构的科研人员,开展了激动人心的“视界面望远镜”项目,全球多地的8个亚毫米射电望远镜将同时对黑洞展开观测(见图三)。
图三:望远镜在全球分布示意图,红点代表望远镜所在地
  这八兄弟北至西班牙,南至南极,它们将向选定的目标撒出一条大网,捞回海量数据,为我们勾勒出黑洞的模样。
  这些望远镜分别是:
  (1)南极望远镜(South Pole Telescope)
  (2)位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large Millimeter Array,ALMA)
  (3)位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜(Atacama Pathfinder Experiment)
  (4) 墨西哥的大型毫米波望远镜(Large Millimeter Telescope)
  (5) 位于美国亚利桑那州的Submillimeter Telescope
  (6) 位于夏威夷的麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT)
  (7)位于夏威夷的亚毫米波望远镜(Submillimeter Array)
  (8)位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜。
  它们多数都是单一望远镜,比如夏威夷的JCMT和南极望远镜;也有望远镜阵列,比如ALMA望远镜是由70多个小望远镜构成。
  视界面望远镜此次观测目标主要有两个,一是银河系中心黑洞Sgr A*,二是位于星系M87中的黑洞
  之所以选定这两个黑洞作为观测目标,是因为它们的视界面在地球上看起来是最大的。其它黑洞因为距离地球更远或质量大小有限,观测的难度更大。
  Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳,所对应的视界面尺寸约为2400万公里,相当于17个太阳的大小
  哇,超大!!然而……地球与Sgr A*相距2万5千光年(约24亿亿公里)之遥,这就意味着,它巨大的视界面在我们看来,大概只有针尖那么小,就像我们站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子。
  M87中心黑洞的质量达到了60亿个太阳质量,尽管与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远,但因质量庞大,所以它的视界面对我们而言,可能跟Sgr A*大小差不多,甚至还要稍微大那么一点儿
  三、8个望远镜同时看到2个黑洞,每年只有10天窗口期
  要想看清楚两个黑洞视界面的细节,视界面望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。
  要多高呢?比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上
  科学家们之前可以利用单个望远镜实现黑洞周围恒星位置的测量,但是,相较于恒星与黑洞之间的距离尺度(1万亿公里),视界面的尺度太微小了(至少小10万分之一倍),因此利用单个镜面很难完成。
  这时候,为了增强空间分辨率,我们就需要使用“干涉”技术了,即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,这一技术在射电波段已相当成熟。
  在这种情况下,望远镜的分辨率取决于望远镜之间的距离,而非单个望远镜口径的大小,所以,视界面望远镜的分辨率相当于一部口径为地球直径大小的射电望远镜的分辨率。
  在此视界面望远镜进行观测之前,天文学家们已经利用其中部分毫米望远镜对Sgr A*和M87星系中心黑洞进行了联合观测,并得到了一些令人兴奋的结果:尽管没能看清黑洞视界面,但已探测到了黑洞中心区域的辐射
  为了增加空间分辨率,以看清更为细小的区域,科学家们在此次进行观测的望远镜阵列里增加了位于智利和南极的望远镜。要保证所有8个望远镜都能看到这两个黑洞,从而达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率,留给科学家们的观测窗口期非常短暂,每年只有大约10天时间(对于2017年来说,是在4月5日到4月14日之间)
  在所有参与观测的望远镜当中,坐落于智利、耗资140亿美金的ALMA毫米望远镜(见图四)是最为重要的一个,因为其灵敏度是目前单阵列当中最高的,但它的观测时间也是最为宝贵的。
  限于ALMA望远镜满满的排班表上一系列拥挤的观测计划,此次黑洞视界面的观测目前只计划进行4-5天,其中两个晚上讲对银河系中心黑洞Sgr A*进行观测,剩下的时间将会对星系M87黑洞展开观测。
图四:位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA)望远镜
  四、除了黑洞“芳容”几何,这一观测还将为我们解答诸多问题
  给黑洞拍张照片不容易,“洗照片”更是耗时漫长。射电望远镜不能直接“看到”黑洞,但它们将收集大量关于黑洞的数据信息,用数据向科学家们描述出黑洞的样子。
  对于之前的干涉仪来说,因为不同望远镜之间的距离不会太远,不同位置的观测数据通常可以实时比较、合并而后得到图像,科学家们是有可能实时在屏幕上看到图像的。但对于此次跨越南北半球的视界面望远镜观测,因其所涉及的站点区域非常广阔,所产生的数据量将十分庞大。视界面望远镜每一个晚上所产生数据量可达2PB (1PB=1000TB=1000000 GB),和欧洲大型质子对撞机一年产生的数据量差不多。考虑到有些区域(比如南极)的数据传输速度相对较慢,所以科学家们在观测时不会对各个站点的数据进行实时相关分析,所以更不可能在屏幕上看到黑洞的实时图像
  在每一个观测中心,科学家们将利用提前校对好的原子钟时间,对每一个电磁波到达的时间进行分别标定和存盘,等到观测结束之后再汇总比较
  在观测结束之后,各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心(分别位于美国麻省Haystack天文台和德国波恩的马普射电所)。在那里,大型计算机集群将会对数据时间进行合并与分析,从而产生一个关于黑洞的图像。这一分析所需的时间少则半年,长则一年。
  即便是最乐观的情况,我们也要等到2018年初才能“看见”黑洞了
  万事具备,只欠东风。
  设备准备就绪之后,剩下一个非常重要的因素,就是天气以及观测时间了。因为大气中的水对这一观测波段的影响极大,要想视界面望远镜顺利观测,需要所有8个望远镜所在地(从夏威夷到智利,从墨西哥到南极)的天气情况都非常好。
  目前这些望远镜所在之处通常都是位于海拔较高,另外降雨量也是极少,所以全部晴天的概率其实非常高
  当所有数据被合并,最终得到图像时,包括我在内的天文学家们,希望看到这样一副图像:一个黑色的圆盘,被一个非常靠近黑洞视界面、很亮的光子圆环所围绕;因为黑洞转动的多普勒效应,光子圆环一侧较亮,另外一侧较暗(见图五)。
图五:视界面望远镜可能得到的计算机模拟黑洞图像,因为黑洞的转动效应,黑洞左侧较亮

  视界面望远镜的观测对于科学研究有着非常重大的意义
  天文学家们希望能够通过这一观测结果,对爱因斯坦的广义相对论做出最为严格的限制。与此同时,黑洞图像将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。
  当然,这是科学家心中的理想图景,实际得到的黑洞图像可能要差很多。但无论最终的图像如何,即便是只能够看到几个像素,此次视界面望远镜的观测也将是人类黑洞观测史上的重要一步。
  我们是何其幸运,将成为这宇宙中第一批亲眼看到黑洞的碳基生物。


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