本文來自“科普中國”,首發於“企鵝科學”公衆號,‘’科學松鼠會‘’經授權轉載。

  北京時間 4 月 10 日晚 9 點,天文學家宣佈,他們利用“事件視界望遠鏡”獲得的數據,成功地提取出 5500 萬光年外的一個超大質量黑洞的照片。這是人類首次直接獲得的黑洞照片,對天文學和理論物理學的研究有着重要的意義。

  其實,我們在這張照片裏看到的那個黑乎乎的洞,並不是黑洞本體,而是“黑洞之影”。這到底是怎麼回事呢?今天我們就來說一說,這張黑洞照片背後的故事。

  一、黑洞是什麼?

  黑洞是愛因斯坦的廣義相對論中的一個概念。廣義相對論認爲,物質之所以會產生萬有引力,是因爲物質會把周圍的時空壓彎了。

  如果由於某種原因,大量物質擠在一起,使得附近的時空彎曲得特別厲害,以致於任何粒子掉進去以後永遠都無法跑出來,那麼,這片時空區域就形成了一個黑洞。也就是說,黑洞是時空彎曲太厲害時所形成的一個“孔洞“。

  所以,黑洞最先是從理論物理學的角度提出來的,誰也沒見過真的黑洞。當物理學家提到黑洞時,他腦海中想到的東西其實這樣的,

  這樣的,

  還有這樣的,

  總之,你在科普書籍中看到的黑洞的樣子,要麼是物理學家腦補的,要麼是計算機用公式模擬出來的。要想親眼看一看真正的黑洞,我們還得靠天文學家來拍照片。

  二、黑洞真的存在嗎?

  既然誰也沒有見過黑洞,天文學家又是怎麼斷定天上一定存在黑洞呢?這就要說到天文學家腦海中的黑洞了。

  在天文學家的腦海中,黑洞不是一個孤零零的“時空孔洞”。在黑洞周圍,有時會有大量恆星。通過分析恆星運動的速度和軌跡,天文學家可以推斷其中是否存在黑洞。

  原視頻作者:加州大學洛杉磯分校Andrea Ghez團隊

  事件視界望遠鏡所拍攝的其中一個黑洞——人馬座A* 黑洞,就是夜空中多顆恆星高速環繞的一個像素點(此次發佈會尚未公佈該黑洞的照片)。

  此外,黑洞周圍還常常會有大量塵埃和氣體。

  當它們從很遠的地方向黑洞掉落時,會相互摩擦發光發熱。有時還會形成噴流,產生大量伽馬射線、X 射線、射電波等光學信號。

  天文學家認定的第一個黑洞(天鵝座 X-1),就是夜空中不斷髮出 X 射線的一個像素點。

  (注:天鵝座 X-1的X射線影像)

  事件視界望遠鏡所公佈的來自 M87 星系中心的黑洞(M87*),最初就是天文學家通過觀測噴流產生的射電波發現的。

  (注:這是哈勃望遠鏡拍攝的M87星系和它中心產生的噴流。)

  天文學家認爲,M87* 黑洞是一顆超大質量黑洞,它的質量大約是太陽的 65 億倍,直徑大約 400 億千米,比太陽系八大行星範圍還要大。

  即便如此,由於 M87* 黑洞距離我們 5500 萬光年,它在照片中的顯現範圍也只有 0.0003 角秒,相當於在地球上觀察月亮上的一部手機。

  在人類現有的觀測技術下,M87* 黑洞在照片中原本也只能佔據一個像素的大小。那麼,天文學家是如何從1個像素中提取出 M87* 黑洞照片的呢?

  三、 如何把像素點變成照片?

  根據光學原理,一個相機的鏡頭越大,它的理論分辨率就越高。爲了看清楚黑洞的樣子,天文學家心想,乾脆一不做二不休,直接造一個跟地球一樣大的望遠鏡。

  可是,根據經濟學原理,一個相機的鏡頭越大,價格也就越高。跟地球一樣大的望遠鏡,把地球賣了也造不起。這可怎麼辦呀?

  天文學家想到一個好辦法:雖然我造不起超大型號望遠鏡,我可以讓小號的望遠鏡組團啊!

  於是,爲了把 M87* 黑洞的像素點變成一張高清無碼大圖,天文學家聯合了全世界 8 個射電望遠鏡項目,讓它們組成了一個跟地球一樣大的虛擬望遠鏡,叫作事件視界望遠鏡。

  其中,“事件視界”指的就是你在科普插圖中看到的黑洞的外輪廓。

  功夫不負有心人,事件視界望遠鏡在 2017 年的 4 月,對着 M87* 黑洞連着拍了 好幾個晚上,獲得了大量觀測數據。天文學家經過近 2 年的分析,終於從1個像素中提取出了黑洞的照片。

  四、黑洞照片有什麼看頭?

  千萬不要以爲這張黑洞的照片就是一張普通照片,這裏面大有看頭。

  首先,黑洞照片拍到的黑影其實不是黑洞本體,而是黑洞之影(black hole shadow)。

  原理是這樣的。假設你用一組探照燈對着黑洞照,黑洞的引力會把其中一部分光吞進去,形成一團黑影。根據廣義相對論,這個黑影通常要比黑洞大兩三倍。這就是黑洞之影。

  所以,真正的黑洞是看不見的,我們只能根據照片上黑洞之影的特徵,大致將黑洞實際的大小估算出來。

  其次,雖然黑洞是圓形的,但黑洞之影卻不一定是圓形的。根據廣義相對論,如果黑洞自轉速度很快,你看到的黑洞之影就可能變成下面這種樣子。

  第三,由於黑洞周圍存在很多發光的塵埃和氣體,它們會在黑洞周圍形成一個扁平的環。基於同樣的原因,如果黑洞自轉速度很快,這個環的一側會變得更明亮,另一側會變得更暗淡。

  於是,我們看到的 M87* 黑洞就是這樣一箇中間有個不太圓的洞,周圍有個不對稱的光環的怪樣子。

  那麼,這張人類第一次拍到的黑洞之影的照片,到底有什麼用呢?

  俗話說,實驗是檢驗理論的金標準嘛。

  正是有了這張黑洞照片,天文學家才能從中推斷 M87* 黑洞到底有多重,轉速有多快,轉動方向是哪裏,周圍的塵埃和氣體處於什麼狀態,跟之前用其他手段間接推測的結果是否一致。

  根據天文學家的分析結果,M87*黑洞和它周圍的塵埃、氣體可能都是躺着自轉的,而且它們的“南極”幾乎是正對着我們的,如下圖的左上角所示。

  並且,天文學家發現,照片所呈現的信息與廣義相對論的預言基本相符。

  此時,物理學家也能長長地鬆一口氣:他們坐在辦公室裏推導出來這樣那樣的公式,最終還是經受住了實踐的檢驗!

  作者:Sheldon

  繪製:Mirror、黃呆

  鳴謝:逸凡

  審稿人

  高爽,天體物理學博士,科普作家

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