【cnstem】从第一张黑洞照片里能看到什么门道？

图一：人类首张黑洞照片——室女座星系M87中心的超大质量黑洞 来源：EHT Collaboration 版权 CC3.0 图片地址：维基百科

昨天，人类首次拍摄的第一张黑洞照片公布了，说实话，这张模糊的照片多少有点让人失望，比电影《星际穿越》里的黑洞差远了，就像一个甜甜圈。不过这张照片意义还是不一般的，因为它是用来自于遥远黑洞的光子成像，也就是说是人类真正意义上“看到”了黑洞，从爱因斯坦提出广义相对论，预言黑洞这种天体存在以来，人类其实已经通过很多间接的方式确认了黑洞的存在，比如这次拍照的两位模特之一，位于银河系中心的人马座A（Sagittarius A），科学家们早就通过它周围恒星的旋转速度测出它的块头。但是由于它位于银河系中心，而地球位于银河系边缘，中间充斥着各种星际气体和尘埃，对光子有散射作用。所以可以想象照片呈现出来颜值肯定不如新闻中主角——M87室女座星系中心的超大质量黑洞。除了通过周围恒星的运动间接观测黑洞，在2016年人类也首次探测到了两个黑洞碰撞产生的引力波，可以说是听到了“黑洞”的声音。俗话说“百闻不如一见”，所以昨天这张黑洞照片的意义还是要更高一些，因为这是黑洞存在的直接证据。

• 为什么这张照片能够证明黑洞存？

根据广义相对论，具有质量的物体，会使时空弯曲，产生引力。如果一个物体密度足够大（实际上如果达到这个密度它本身也会压缩为没有体积的奇点，密度也失去了意义），那么在某个范围内，它的引力会如此之大，以至于以光速运动的物体也会向中心坠落，无法逃出。而这个范围就称为“事件视界”（event horizon ）发生在事件视界里面的事件我们无法得到任何信息。所以就是一团漆黑。而M87这个黑洞好就好在，它周围还聚集了大量物质，这些物质在黑洞的引力作用下形成了一个吸积盘，类似土星光环，但旋转速度和密集程度远远胜出。在接近黑洞的地方，这些物质因为高速运动和碰撞完全解体为等离子体，释放大量辐射，这可以被人类的观测设备探测到，从而与黑洞洞的黑洞本身形成反差，勾勒出“事件视界”。这也是这个探测计划被称为“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope ）的原因——就是要拍到事件视界，获得黑洞存在的直接证据。

• 为什么M87的黑洞照片像个甜甜圈？

M87人们很早就注意到了，哈勃太空望远镜就曾拍下M87黑洞产生的非同寻常的喷流，高达5000光年，而且几乎正对地球。

图二：哈勃太空望远镜拍摄的M87，展现出强大的射流。来源：NASA 版权：public domain 图片网址
喷流的动力来源于吸积盘中高速运动的等离子体产生的磁场。所以一般与吸积盘垂直。也就是说M87黑洞的吸积盘几乎正面对着我们。

图三：艺术家笔下的黑洞 表现出了吸积盘和喷流 来源：www.goodfreephotos.com 版权：CC0

即便黑洞的吸积盘倾斜一定的角度面对我们，我们看到的也会是类似甜甜圈的模样。上图是艺术家想象中黑洞形象，有一点不符合科学，就是黑洞不会遮挡它后面的吸积盘，下面我们具体看看。

首先重要的事情要说三遍，广义相对论就是说有质量的物体会使周围的时空弯曲。而光线总是走时空中的最短路径，在平整的时空中，光就走直线，而在弯曲的时空中，最短路径是弯曲的。像黑洞这么大质量的天体可以让光沿很大弯曲度的路径传播，即使被挡在后面的吸积盘物质所放出的光子也能被我们的望远镜探测到。

图四：黑洞的引力弯曲时空，使光线的传播路径弯曲 ，即便被黑洞挡在后面的吸积盘发出的光也能被我们的望远镜观测到。作者：cheva 版权：CC4.0

但是我们人类的大脑总是将光线理解为直线传播，所以在我们人类看来，就像黑洞背后的吸积盘被切成上下两半，在分别对折一样，所以即黑洞周围的吸积盘是倾斜的，我们看到的黑洞形状仍然类似于甜甜圈。

图五：为什么黑洞看来像甜甜圈 作者：cheva 版权：CC4.0

网上有的文章解释说，黑洞甜甜圈的下半部分比上半部分要亮，是因为黑洞吸积盘旋转方向造成的，下方吸积盘的运动方向朝向我们，所以产生紫移效应，变得更亮，上方吸积盘运动方向远离我们，所以产生红移效应，变得更暗。我个人不太认同这个理论，红移和紫移只能改变光子的频率，不能改变光子的数量。下方更亮是因为像上图所示的那样，黑洞后方的吸积盘光线被黑洞折射，与前面的吸积盘影像重叠在了一起，所以更亮。各位读者觉得呢？

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参考资料：

• 4 Billion Solar Mass Black Hole in M87 - Event Horizon Telescope
• How to Understand the Image of a Black Hole
• First Image of a Black Hole!
• Why the first-ever black hole image is blurry？

 

 

 

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Posted from my blog with SteemPress : https://darwincheva.000webhostapp.com/2019/04/%e3%80%90cnstem%e3%80%91%e4%bb%8e%e7%ac%ac%e4%b8%80%e5%bc%a0%e9%bb%91%e6%b4%9e%e7%85%a7%e7%89%87%e9%87%8c%e8%83%bd%e7%9c%8b%e5%88%b0%e4%bb%80%e4%b9%88%e9%97%a8%e9%81%93%ef%bc%9f

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