读懂黑洞的照片





















      


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导读



介绍一下你可能还不了解的,黑洞相关的几何学。

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文 | 戴岚山博士


这两天(2019年4月12日),你如果对科学有些关注,一定已经读过介绍黑洞的科普文章了。本文尽量不重复你已经知道的东西,但这张看起来像劣质相机拍出来的照片,后面还有很多有趣的数学物理原理,和了不起的工程技术成就。

你以前可能见过这样的黑洞图片:


黑洞的艺术想象图


这是艺术家的想象图,想象把挡在黑洞前所有的星星和尘埃都拿走。这张图是想告诉你,黑洞中间,有一个区域,所有的东西包括光线,进去后是出不来的。这个区域的边界,叫做视界。视界看上去,像个黑色的洞。

视界的大小,跟黑洞的质量成正比。对于地球的质量,视界只有一个肉丸子那么大。也就是说要把整个地球压缩到那样小,它才会变成一个黑洞。

实际情况如何呢?我们见到照片的黑洞,来自室女座A星系,也叫M87。在世界最强的光学望远镜——哈勃望远镜下,照片是这个样子的:


哈勃望远镜拍摄的M87星系的照片


这个黑洞位于星系的中心,也是星尘最密集的地方。想一想,用望远镜看过去,能看见那个黑色的洞吗?


这个星系是一个巨型星系,质量是咱们银河系的200倍,距离5500万光年。在宇宙的尺度上,这就不算太远了。业余天文爱好者,拿小型望远镜就可以看见它。在哈勃望远镜上,还可以清晰地看到它喷出了一长串蓝色的东西。这还是天空中最强的无线电波来源之一,业余无线电爱好者喜欢追逐它。无线电波和那个喷柱,都是星系中心那个超巨型黑洞的杰作。这个黑洞,质量是太阳的几十亿倍,地球的上千万亿倍,就是在这个无比浩瀚的宇宙中,它也是很难得的了。它的视界超大,几百亿公里。


黑洞会吸住附近的尘埃极速转动,形成一个圆盘,最后彻底被吸到视界里面去。在这个过程中,物质会发射无比强大的电磁波,从无线电波到X光,各个波段都有。吸不进去的东西,会以接近光的速度,从转轴的方向喷出来。


黑洞吸积盘的想象图


上面这张图片,也是一张想象图。这个想象图,应该跟实际情况比较接近。

黑洞周边的空间弯曲

关于黑洞,你不知你是否见过这张图片?这是一个黑洞的剖面图。既然是剖面图,就应该是平的,怎么会是个曲面呢?因为黑洞周围的时空,是强烈弯曲的,一刀砍下去,得到的是一个曲面。准确地说,把这个曲面投影到平面上,就是这些点在三维空间中的坐标。但这些点之间的实际距离,要从曲面上看。可以说,黑洞是个很深的洞,走到视界的距离,比看起来长。我们知道,光线是走直线的。弯曲空间里,直线就是最短距离的线,既然里面的实际距离更长,光线就喜欢从外边绕,如下图:


黑洞周边的光线


这个现象,从物理的角度上解释,就是光线被吸引转弯了。爱因斯坦的广义相对论告诉我们,引力和时空的弯曲,是一回事儿。

黑洞到底有多深,有没有底?这个问题是很烧脑的。从上面那张剖面图上看,黑洞是有底的,从外面走到视界,距离是有限的。然而这张图没有画出来另一个重要的东西:用地球人的时间来衡量,越靠近视界,时间过得越慢。两个因素综合起来,一个外面的物体,掉到黑洞里面去,虽然下落的速度越来越快,最终接近光速,但它永远只能无限接近视界,不能穿越进去。

故事还没有完,相对论中,时间是相对的。一艘宇宙飞船向黑洞飞过去,飞船上的时间,和地球上的时间是不一样的。如果飞船不被黑洞引力摧毁(它当然会被摧毁得连渣渣都不剩),飞船是可以在有限的时间内到达视界,然后穿越进去。

里面是什么?要问广义相对论的专家,他们会告诉你,视界里面还有三个宇宙。飞船沿着直径的方向进入视界后,不再沿着这个方向走了,因为这个方向现在是时间了;飞船会沿着原来的时间、视界内的直径方向走,最终到达一个真正的奇点。


笔者个人的看法,讨论视界里面是什么,没有物理意义。要问爱因斯坦的意见,他当年压根儿就不相信有黑洞这种一种坍缩下去,什么都出不来的东东,虽然这是他自己方程式的解。

回过头来说这个超巨型的黑洞,能不能把它拍出来?这个黑洞虽然大,但跟5500万光年的距离比起来,在我们天空中也是非常小的一个洞。拍出这张照片,角度的分辨率要达到百万分之一角秒的量级(角秒是1/3600度)。你的手机相机可能号称2000万像素,那是忽悠人的,它的镜头远没有这么高的分辨率。就算真有这样的分辨率,黑洞照片的分辨率也比它高差不多一亿倍!

知道这一点,你可能会对这张模模糊糊的照片有更多的尊重。

要达到这样的分辨率,镜头或天线需要满足起码的条件。光学中有一条基本原则:
角分辨率  =  波长 / 镜头或天线直径
想要高的分辨率,巨大的天线是必不可少的物理条件。

视界望远镜组织发布的黑洞照片

现在看这张黑洞照片,你应该已经知道,照片上的颜色是假的,这张照片拍摄的是黑洞吸积盘发出来的无线电波。为什么选择这个波段?从上面的分辨率公式,波长越短越容易取得高分辨率,为什么不选择波长只有1/2000分之一的可见光?有两个原因:

第一是,所有的恒星的辐射都在可见光波段,宇宙中能发射超强无线电波的天体很少。选择无线电波,挡在黑洞前面的星尘,都变得透明了。

第二点更重要:选择射频波段,我们反而可以把天线做得更大,跟地球一样大。跟地球一样大的天线,并不需要把地球覆盖,只要在这个区域中都有分布,就可以了。

两个遥远的天线,利用接收信号的时间差,分辨不同的目标

如果你是军迷,一定知道相控阵天线。相控阵天线把不同的接收单元的信号,经过芯片处理,实时得到更高分辨率的雷达图像。视界望远镜的技术,在原理上接近,他们用了分布在地球各个角落的7-8座大型的射电望远镜,相当于合成了一个和地球差不多大的天线。只不过,隔着十万八千里的天线,无法像相控阵雷达那样,利用电路取得实时图像。只好把各个天线收到的波形纪录下来,数字化,通过大型计算机进行后期处理。

用可见光,做不了这样的事情。目前所有的可见光传感器,只能记录光的亮度,无法记录波形,频率太高了。视界望远镜选择的1毫米多的波段,频率260GHz,已经差不多是目前的电子技术所能处理的最高频率了。每秒钟的数据能装满几个硬盘,最后的数据据说有一卡车硬盘,数据量太大,都不能用互联网传,只能邮寄硬盘。取数据用了一个星期,后期处理数据,用了两年。

最后,怎样解读这张照片呢?

发光的,是围绕黑洞高速旋转的的,由高温气体尘埃组成的吸积盘。这个吸积盘,和地球的方向有一个倾斜角,一侧离我们更近,一侧更远,如下图:

黑洞吸积盘的光线

首先,由于黑洞附近空间的弯曲,我们看到的黑洞,是被放大了好4-5倍的。如图所示,贴近视界的光线,被弯曲得太厉害,无法到达地球。否则,拍出这张照片就更难了。
离我们近的一侧,有一部分是挡在黑洞前面的。但光线要从那里出来,需要挣脱黑洞的强大引力,这虽然不会让光线走得更慢,但会让它损失很多能量(频率降低,或引力红移),会很暗淡。反观远端发出的光,它先接近再远离黑洞,总体不损失什么能量。
所以,我们仍然可以看到一个近乎圆形的黑洞。周边一圈光环,更亮的,是吸积盘离我们更远的那一端,暗的则是更近的。
这样的图像,早就被物理学家们,根据广义相对论计算清楚了。第一张黑洞照片,和理论预期完全符合,是广义相对论的又一次胜利,也是一项了不起的科学工程实践。

扩展阅读:

袁岚峰解读世界第一张黑洞照片
史上首张黑洞照片诞生!兼谈黑洞的前生今世 | 吴庆文
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背景简介本文作者为物理学博士戴岚山,文章于2019年4月12日年发表于 物理博士看天下 的微博( http://blog.sina.com.cn/phdphysics),风云之声获授权转载。

责任编辑陈昕悦





文章转载自微信公众号:风云之声

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