據說黑洞是不可以被看到的,那麼為什麼《星際穿越》中的黑洞可以被看見呢?

鏡像宇宙


迄今為止,還沒有人見過黑洞。今天,天文學家和物理學家已經掌握許多間接證據,證明黑洞幾乎100%存在。

根據廣義相對論的引力場方程,宇宙空間中有可能存在引力強到足以讓時空彎曲至它自身的區域。這個引力場方程的解最初由兩位科學家各自獨立發現。一位是德國天文學家史瓦西(Karl Schwarzschild),另一位是荷蘭物理學家德羅斯特(Johannes Droste)。

他們對黑洞的描述是:大質量恆星演化的最終結果,由於引力坍縮,恆星核心物質被壓縮至密度越來越大,在空間的某個區域,引力十分強大,沒有什麼可以從中逃逸(光也不例外)。這個區域就叫黑洞。

儘管看似簡單,仍有人對黑洞的存在持懷疑態度。如果光線都不能從黑洞中逃逸,就沒有辦法通過觀測來證實它們的存在,難道不是嗎?

根據定義,黑洞的確是不可見的,但科學家可以觀測到黑洞對它周圍環境的影響。

有一種辦法可以讓黑洞暴露它的存在。在有兩顆大質量恆星的雙星系統中,質量超大的那顆恆星演化得更快,它先變成超新星,它的核心坍縮成一個黑洞。之後,第二顆恆星膨脹為巨星,旋轉的黑洞撕扯著膨脹恆星的外層氣體。在驟跌入黑洞之前,氣體物質先積聚在黑洞的一個薄且轉動的圓盤上。這個所謂的“吸積盤”變得極熱並開始發射X射線。
上圖就是1971年由“自由號”天文衛星證實的一個發現:一個位於銀河系天鵝座X-1中的X射線源,被認為是黑洞的候選者。天鵝座中的一個明亮的X射線源與一顆超巨星(伴星)同時出現。物質從X-1的伴星HD226868流出來,形成了一個漩渦狀的吸積盤。唯一的解釋就是:這個X-1號星就是一個被吸積盤環繞的黑洞。

如今,日益增多的間接證據表明,很多的X射線雙星實質上都藏有黑洞。在大多數情況下,它們通過發射大量的高能輻射來宣示自己的存在。同時,它們也會通過影響星系核心區域其他恆星的運動軌跡來表明自己的存在。

近年最有說服力的信息是,2015年探測到來自兩個碰撞黑洞的引力波被看成黑洞存在的完美證據。在產生GW150914的雙黑洞合併的極短瞬間,以引力波的形式釋放出不少於三倍太陽質量的能量。
由於黑洞本身沒有表面、而且不可見,那麼電影《星際穿越》中的黑洞為什麼看得見呢?

這是因為,一方面黑洞引力將大量黑洞之外的物質吸引到自己的身邊聚集,而另一方面遠處的恆星和氣體也在沿相反的方向吸引它們,竭力把它們拉向黑洞之外的遠處。於是,總的物質分佈格局就趨向於更加穩定。在黑洞周圍形成了環帶,其中的物質圍繞著黑洞運動卻永遠不會墜入到黑洞之中。吸積盤中的粒子碰撞已經不再發生,留下的只有圍繞星系中心(黑洞)旋轉的恆星群所發出的看得見的光芒。
換句話說,由於黑洞的無限大密度、極大的時空曲率,那些恰好位於被黑洞引力場捕獲和能夠逃脫的臨界狀態上的光線,被迫沿黑洞事件視界作類似圓周狀傳播。我們看到的所謂黑洞,就是那些被困住在事件視界的恆星光芒,以及那個看似時間趨於停滯的視界外“表面”,而決非黑洞本身。

多虧了科學家和製片人的智慧,藉助於電腦模擬和電影藝術表達,使得黑洞逐漸走出了科幻的密室,並被普通觀眾所理解。與行星、恆星一樣,黑洞也是我們宇宙不可或缺的組成部分。


看松讀畫軒


確實如此,黑洞在理論上是無法被看到的,而《星際穿越》中的黑洞似乎是可見的,這是否有矛盾呢?

事實上,這並不矛盾,這並非電影的誇張表現手法。《星際穿越》所描繪的黑洞景象是基於廣義相對論,通過計算機模擬出來的,這是非常符合現實的。

廣義相對論表明,大質量恆星在晚年發生強烈引力坍縮後,會把自身擠壓成一個黑洞。黑洞很特別,它們的質量集中在中心的無體積奇點。而該奇點會強烈彎曲周圍的空間,使得光在一定範圍內無法逃脫出去,所以黑洞是無法通過電磁波直接觀測到。黑洞的表面被稱為事件視界,這是黑洞內外的時空界限。

在某些情況下,黑洞可以間接發光。黑洞產生的強大潮汐作用會把靠近它們的任何物體都給撕碎,這些碎片就會繞著黑洞旋轉,形成一個吸積盤。在吸積盤中的物質不斷螺旋穿過事件視界掉入黑洞的過程中,互相劇烈摩擦的物質就會製造出強大的電磁波,從而使吸積盤發光。

在《星際穿越》中,卡岡圖雅黑洞是一個質量為太陽1億倍的超大質量黑洞,在它周圍有一巨大的發光吸積盤。我們所看到的其實是黑洞周圍的吸積盤,而不是黑洞本身。


火星一號


黑洞雖然無法直接看到,但在宇宙中是實際存在的。當大質量恆星塌縮,將物質不斷壓縮在一個體積極小的空間內,就得到黑洞這樣密度極大的天體。其引力非常巨大,造成表面附近的時空極度彎曲,此時,連光線都因時空彎曲而無法逃逸,當然我們無法直接看到黑洞。

黑洞內部的中心,也被稱為奇點,具有無限大的密度,人們無法預計哪裡會發生什麼,目前所有的物理定律在那裡也都失效了。

在靠近黑洞的區域會存在一個事件視界,就是相當於逃逸速度等於光速的一個球面。事件視界也相當於一個時空的分界線,在這個視界以內,光都無法逃逸,更不要說其他的任何物質了。在視界以外才是人們可以探知的領域。

同時,黑洞在吸引和吞噬物質時,物質在掉入黑洞時會形成吸積盤,巨大的引力使得掉入黑洞過程中的物質摩擦加熱,釋放出X射線,從而可以被X射線望遠鏡所檢測到。


量子實驗室


黑洞的確是不可能被觀測到,各種電磁波都無法探測到黑洞,因為黑洞的逃逸速度大於光速。但黑洞的事件視界之外,就是逃逸區,這裡的光可以逃逸。

這就說明,如果黑洞在吸積物質的時候,就會將大量的物質留在吸積盤上,以接近光速的速度摩擦,產生高溫熱量。因此這部分是發光發熱的,可以被我們觀測到。黑洞也只有在進食的時候,會被我們觀測到,而我們觀測到的也是黑洞的吸積盤,而不是黑洞本身。

在星際穿越中,黑洞是可以被看見的,這也是因為黑洞周圍的物質被加熱到高溫。黑洞事件視界裡面的情況是肯定看不見的,能看見的也是吸積盤上的物質。

如果黑洞沒有進食,是無法直接觀測的,只能通過間接方法探測,比如引力作用等。如果一顆恆星繞著一個看不見的物體旋轉,那麼這必然就是黑洞了。


川陀太空問答


事實上,所看到根本就不是黑洞,而是黑洞吸積盤和黑洞視界。黑洞確實看不見。

黑洞吸積盤是被黑洞撕碎,以黑洞為中心,高速圍繞黑洞視界邊緣運動的彌散物質。而所看到的中心黑黑的,那是黑洞視界。也就是我們不可觀測裡面情況的地方。



黑洞黑洞,這裡我糾正一點,不是說你看到的那個黑黑的洞就是黑洞,如果那就是黑洞的話,對於黑洞的定義就要改改了,就不再是定義黑洞密度無限,而是可以計算黑洞密度的。那只是黑洞視界。


目前,我們能夠通過史瓦西半徑公式逆向推導是可以計算黑洞質量大小。既然能夠已知質量,再加上黑洞直徑,測算密度是很簡單的。所以問題在於,我們所看到根本不是黑洞本體,只是視界範圍,躲藏在視界裡的黑洞到底有多大,無從得知,也就不可能知道黑洞直徑,測算密度也就無法談起。

所謂黑洞視界,說白一點就是黑洞強引力區,這段區域引力強大到光線無法逃脫,根據引力作用大小和距離平方成反比例,只有距離足夠,黑洞引力作用小之後,光線才能逃逸。

舉個例子,假設一下一個黑洞直徑一米,但是在它直徑範圍一千米內,引力強大到光無法逃逸,形成一個直徑一千米的無法觀測區域,但我們不能說這無法觀測的一千年空洞就是黑洞。

所以,黑洞是無法觀測的。


豆丁科學



黑洞因為本身引力太強,導致每秒三十萬公里的光都飛不出黑洞的引力範圍,所以在可見光波段是看不到黑洞的存在的,但是由於黑洞本身一直在吞噬周圍的天體,天體在進入黑洞時會留在吸積盤上被黑洞的引力以光速摩擦,摩擦摩擦就發光發熱了,所以我們能在《星際穿越》中看到黑洞的輪廓。

但是電影中看到的黑洞是正在“吃飯”的黑洞,如果黑洞吃完了那麼就不會被我們用肉眼看到了,黑洞是不會無休止的吞噬周圍的物質的,而是根據黑洞本身的視界大小而決定的,視界之外的物質是不會被吸近黑洞裡的,所以主角等人的飛船可以在黑洞周圍飛行。

現在的科學家們觀測黑洞時都是根據天體的運行軌跡來判斷的,如果一個恆星圍繞著一個看不見的引力源進行旋轉,那麼就能確定這個恆星的周圍存在黑洞。

不過目前為止我們從來沒有看到過黑洞在“吃飯”時的可見光圖像,《星際穿越》中的黑洞是特效加上物理學家的描繪所製作出的最接近真是的黑洞場景。

《星際穿越》中黑洞周圍的時間膨脹效應也帶給我們震撼的感覺,我直接還記得庫柏那句“珍惜時間吧,一小時七年呢!”主角一行人從行星重新回到飛船後,裡面的黑人科學家已經老了幾十歲了,黑洞周圍的時間讓我們真真切切的感到了“彈指一揮間,滄海桑田”


宇宙探索未解之迷


黑洞確實不能被看見,而電影中的黑洞四周的光亮,應當是吸積盤散發的光,而吸積盤處於黑洞的事件視界之外,因此那裡的光是可以逃逸出來的。

先來說吸積盤,簡單的考慮,比如一顆恆星不幸出現在了黑洞附近,由於強大的引力,導致恆星會被黑洞逐漸“吸乾”(如下圖)

那麼吸走的物質在掉入黑洞之前,是邊繞邊掉的(電影中的黑洞並不是無自轉的史瓦西黑洞,它屬於自轉的克爾黑洞),於是物質之間就摩擦撕碎,輻射出光熱,於是其中一部分的光就被我們所看見。

再說事件視界,類比於火箭在地球的第二宇宙速度,事件視界是一圈範圍,在這個範圍以內,光無法逃脫,也就是說在事件視界上的逃逸速度是光速,既然這一圈範圍內的光都無法跑出來,自然外面的人就看不到內部的情況,於是就是黑色。

而之前講的吸積盤是位於事件視界之外的,因此人們可以看到。

期待您的點評和關注哦!


賽先生科普


圖:普通的黑洞(周邊的光線畸變是引力透鏡所引起的)


筆者看了其他的回答,幾個朋友回答都是正確的,但是沒有那麼準確。筆者給一個“權威”的回答吧。為什麼是“權威”的回答呢?因為下面的答案是電影裡的這個超級黑洞卡岡都亞的創造者基普.索恩告訴筆者的~索恩專門寫了一部與電影同名的書來介紹他是如何創造電影中的世界的。強烈推薦這部由索恩寫的《星際穿越》!看了書以後再看一次電影,你就會發現電影裡面的一些細節相當有趣。

圖:基普.索恩
(2017年諾貝爾物理學獎獲得者之一)

電影《星際穿越》是一部非常硬的科幻片,電影裡面關於科學的每一個細節都是經過計算或者是有一定的科學依據得出的。電影中的超級黑洞也是通過計算得出來的。

圖:黑洞卡岡都亞

導演諾蘭為了達到在那顆行星上的1小時就等於地球上7年的戲劇性效果,讓索恩創造一個能達到要求的黑洞來。索恩當時非常震驚,他認為這是不可能的。但導演堅持這樣幹。經過一番思索,索恩找到了解決辦法。

這個黑洞必須以非常快的速度旋轉,快到只比理論上的極限速率慢100萬億分之一秒,如果不慢這一點,黑洞將變成裸奇點~這可能是物理定理不允許的。這樣就解決了“天上1小時,地上7年”的問題。

由於黑洞卡岡都亞巨大的引力,時空彎曲得十分強烈(高速的旋轉和質量引起的),使得光會被困在視界外的軌道上(逃逸速度僅比光速慢一點),圍繞著黑洞轉動。需要非常長的時間才能逃離出來,這就形成了被索恩稱為的“火殼”(見上圖)。

當然,黑洞肯定會有一個吸積盤。吸積盤中的物質掉落過程中會輻射出能量來,也使得它能被看見,但這是普通的黑洞,看起來肯定是沒有黑洞卡岡都亞如此絢麗。
圖:卡岡都亞的結構


講科學堂


黑洞本體看不見,但是它周圍物質能看見,另外它產生的一些效應也能看見。

《星際穿越》裡看見的黑洞周圍的一圈光環是該黑洞的吸積盤。根據科學顧問的設定,電影裡的黑洞是一個高速自轉的超大質量克爾黑洞,黑洞在高速自轉時會拖拽周圍時空,導致周圍時空成螺旋狀圍繞黑洞,當物質包括光子靠近黑洞時,並不會馬上落入黑洞,而是會被時空帶著繞黑洞旋轉從而螺旋落向黑洞,因而形成了圍繞黑洞外的一個物質盤,稱為吸積盤。由於吸積盤內不同半徑區域的轉速存在差異,越靠近黑洞,轉速越高,離黑洞越遠,轉速相對較低,這樣物質在繞轉過程中由於速度差產生摩擦而輻射出大量光子,其中一部分就會往黑洞外輻射,所以吸積盤是明亮的。

這個吸積盤實際上是在黑洞自轉的赤道平面上的薄薄一層,類似土星光環那樣,高緯度和兩極是沒有的,那電影裡的黑洞上下的一圈是什麼呢?答案就是黑洞周圍的時空彎曲導致黑洞後面的吸積盤發出的光線被彎到前面來了,這屬於黑洞的引力透鏡效應。也就是黑洞的整個表面在一個方向上都可以完整看見。當然黑洞是黑的_(:D)∠)_所以也就只能看見吸積盤了。

吸積盤有引力透鏡效應,同樣沒有吸積盤其實也有引力透鏡效應,只要黑洞附近存在強光源,比如恆星之類的,那麼因為黑洞的彎曲效應,同樣會在黑洞周圍形成一個光圈,當然光圈的形狀會隨光源所在位置不同變化而變化,如果恆星在黑洞正後方,那麼光圈就是個正圓圈(◔◡◔)



這是肉眼觀測黑洞的另一種方法。不過由於這種效應較為微弱,除非光源正好在黑洞正後方,否則遠距離比較難觀測,因為光圈會隨光源、黑洞、觀察者夾角增大而變弱。

話說,在n年前當我買天文望遠鏡的時候,就想觀測這種光圈來發現黑洞ʘᴗʘ因為書裡都說看不見,但我明明覺得這樣是可以看見的•ᴗ•結果事實證明我想多了_(:D)∠)_這種玩具級的天文望遠鏡連天王星的光環都看不見╮(╯_╰)╭


星宇飄零2099


理論上黑洞是漆黑一片,如果黑洞周圍再沒有強光源,那麼黑洞真的就完全隱匿於時空背景之中,一片黑暗,完全看不到其蹤跡。



但是如果黑洞一直在吞食物質,則就會被看見。因為黑洞吸收物質的時候,物質會被引力拉扯到黑洞視界之外的吸積盤上面,然後被黑洞巨大的引力壓縮體積並圍繞著黑洞旋轉,最終螺旋式地進入黑洞之中。在吸積盤上面由於物質被壓縮,原子結構都可能會被“壓碎”,因此會像核聚變一樣產生能量和各種射線。巨大的能量會加熱物體發光,因此黑洞就可以被我們看見了。當然了,這種看見的並不是黑洞本身,而是黑洞視界之外的情景,或者說是吸積盤的樣子。黑洞視界之內什麼也看不到。



黑洞吸積盤除了發射可見光,剩下的大部分都是x射線,所以一個人即便在黑洞外面沒有被引力撕碎,也會受到巨大的x光輻射,性命不保的。



而電影上可以看見黑洞,也是因為黑洞吸積盤上面還有物質,所以才能夠被看見。當然了,電影上面也交代了,男主角進入的黑洞是一個溫柔的黑洞,所以可能吞東西慢一點,導致黑洞周圍一直很亮。


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