黑洞引力非常大,連光線都跑不了,那怎麼能拍下照片呢?

銅錘花臉6


黑洞是宇宙中引力最強的單一天體,在它的視界邊緣,連光都難以逃脫,原則上沒有任何物質可以從黑洞的視界邊緣(史瓦西半徑邊緣)逃出黑洞的引力束縛,雖然霍金輻射認為有些粒子對可以從黑洞的邊緣逃逸,但其輻射的物質量可以忽略不計,因此如果說只看黑洞本體的話,它是不會發光以及發出任何電磁波輻射的。



那麼為什麼事件視界望遠鏡(全球八處射電望遠鏡陣列組成的像地球視面積一樣大的虛擬望遠鏡)又可以拍到黑洞的照片呢?這其實還是由於黑洞並非是單獨存在於宇宙中的,由於擁有強大的引力場,所以黑洞周圍通常都會聚集有恆星行星等其他天體,特別是在一些超大質量黑洞周圍,比如在我們銀河系中心黑洞人馬座a*的附近,至少有數百顆恆星在圍繞它運行,這樣我們就可以根據這些恆星的運動狀況,來判斷這個黑洞的存在並找到它的位置了。




恆星也都是大質量的天體,這些天體距離黑洞很近的時候,常常會有一部分物質為黑洞所吞噬,而在被黑洞吞噬之前,這些物質會圍繞黑洞高速旋轉,形成黑洞周圍的吸積盤。這個吸積盤物質主要集中於黑洞的赤道地區,它看上去會非常的明亮,是宇宙中最為明亮的事物,而且由於黑洞的引力壓縮作用,吸積盤上的部分粒子物質會轉移到兩極地區被噴射出去,形成強烈的x射線,通過它暴露出來的這些信息,我們就能以其光亮和射線等來判斷黑洞的形狀了。





事件視界望遠鏡所能拍攝的也是黑洞的這些部分,也就是視界邊緣之外的部分,由於這部分也是有其結構的,而且不同區域的光度不同,所以將能看出黑洞的大致輪廓,如果再對其進行數據處理的話,比如傾向於貼近黑洞的視界邊緣,將其附近電磁波等的強弱度表現出來,就可以得出關於黑洞的較為逼真的圖像,事件視界望遠鏡所能拍到的黑洞的照片,大致就是這個樣子。

雖然今天我們看到了歷史上第1張關於黑洞的真實圖像,但其實我們所看到的距離黑洞的內部世界仍然很遠,而且黑洞的視界邊緣也並非黑洞的本體,科學家認為黑洞內部存在一個奇點,這個奇點才是黑洞物質的主要集中地,但是由於它深藏於黑洞的中心,我們也許永遠無法看到它。



人類的方向


舉世矚目的第一張黑洞照片馬上就要公佈了。一直以來,人類之所以沒有獲得黑洞存在的直接證據,是因為黑洞會把光都吞噬掉,所以無法對黑洞進行成像。那麼,此次事件視界望遠鏡(EHT)將要發佈的黑洞照片又是怎麼拍攝到的呢?

黑洞本身不發光,也不反光,整個黑洞是不可見的,但黑洞的引力效應可以產生一些光學現象,從而可以使黑洞的輪廓顯示出來。如果星際空間中的氣體雲靠近黑洞,它們會以螺旋的方式逐漸靠近黑洞。在黑洞引力的加速下,高速運動的氣體雲之間互相摩擦會輻射出強烈的電磁波,這會在黑洞周圍形成一個可見的吸積盤。

另一方面,黑洞巨大的引力效應會強烈彎曲周圍的空間,使得背景星光經過黑洞周圍時會沿著扭曲的空間運動,從而出現引力透鏡效應。在背景星光的映襯下,理論上可以看到黑洞的輪廓,也就是黑洞的事件視界(黑洞的表面)。

不過,想要觀測到黑洞視界周圍的細節非常困難,因為大部分的黑洞都太小了。對於質量為太陽幾倍至幾十倍的恆星級黑洞,它們的史瓦西半徑才幾十公里,目前的望遠鏡無法分辨出這麼小的黑洞。

為此,天文學家選擇位於星系中心的超大質量黑洞,它們的質量在太陽的數百萬倍至數百億被,半徑則可達數千萬公里以上。事件視界望遠鏡的一個觀測目標是位於銀河系中心的人馬座A*,另一個目標更大,它位於M87星系的中心。

通過射電望遠鏡的干涉技術,天文學家可以獲得望遠鏡口徑相當於地球直徑的觀測效果,這樣就能拍攝到星系中心的超大質量黑洞的事件視界。不過,由於數據非常龐大,數據的處理時間耗費多年。到了今天,終於要公佈這一突破性成果,讓我們拭目以待!


火星一號


黑洞引力無限大,但是也只是對於黑洞核心來說的。黑洞本身也是天體,也要複合基本物理規律。

對於宇宙中的天體來說,距離都是非常遠的,因此,計算時,天體大小本身就會被忽略,簡便計算。

而天體見引力隨距離變小而成指數被增加,比如距離100時引力100,距離50,引力是400,距離25時引力是1600。但是距離到一定程度,天體半徑就起作用了。比如以地球為例,在計算時,如果距離非常遠,就按地心距離計算,但是極限也就是6000公里,地面這裡。在往地心去,距離雖然小了,但是頭上又有很大量物質吸引,引力反而增加。如圖,地球半徑是R時,小人在接近地心小於6000公里候,引力受頭上物質吸引反而變小。

假設地球質量不變,壓縮半徑,把地球壓縮到一個很小很小的體積,比如低於0.9cm,才能保證繼續接近地心,而引力依然指向一個方向並增大,如圖所示,如果地球半徑是r,這時引力才能增大到黑洞程度。這個小r的半徑就是史瓦西半徑。

宇宙中黑洞也是一樣,在距離黑洞比較近的地方,也就是史瓦西半徑以內,黑洞才是無限吸引的。史瓦西半徑以外,一個500萬太陽質量的黑洞和普通的五百萬太陽的恆星對外影響是一樣的。都是一樣大的引力效應。

史瓦西半徑處,由於物質進入就不能返回,所以裡邊是黑的,同時這個地方由於物質摩擦等效應,會發出巨量輻射,形成吸積盤,外邊是亮的裡邊是黑的,靠反差顯示出黑洞的樣子


東北貓哥會養雞


黑洞之內什麼也拍不到,拍的是黑洞視界及周圍,用以襯托黑洞的形狀和周圍的作用力。雖然稱為“照片”,還需要人工合成,綜合所有數據,分析,對比,形成一張真實性更強的“照片”。讓人更直觀的瞭解,觀察,認識“黑洞”。

先進的技術,也窺視不到“黑洞”內部,只能把周圍看的更清楚,這已經很了不起了。


暗物質原理


黑洞又不是不發光,只是非常少而以,本身就是一個光的結構


老貓貓咯


黑洞就是假象


晨冬125


黑洞就是宇宙清道夫


摩天輪66


黑洞好比兩個房間的門口,是個通道


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