一文懂黑洞|NASA的黑洞视频为什么这么奇怪?

NASA称,天文学家认为这个超大质量黑洞的质量约为太阳质量的600万倍,位于约3.75亿光年之外的星系,该星系与银河系大小相似。而被吞噬的恒星则与太阳大小类似。(本期无音频,后续补充,后文有问题回答,请耐心看)。

恒星不断接近黑洞:

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黑洞将恒星撕碎成粉末:

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黑洞撕裂恒星

这一现象被称为“潮汐破坏事件”(tidal disruption event),恒星必须非常靠近黑洞才能发生,因此十分罕见。研究人员表示,在银河系大小的星系中,这种宇宙事件每1万到10万年发生一次。由于宇宙中有数十亿个星系,科学家们多年来已经观测到大约40次这样的“宇宙大屠杀”,只不过,想要捕捉画面很难,这次观测结果是“迄今为止对这一现象最详细的观察”。

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俄亥俄州立大学天文学教授克里斯·科查内克(Chris Kochanek)惊叹道,能在视线范围内发生这样的事件是多么幸运。他这样比喻此事的罕见程度:“想象一下,你站在市中心的一座摩天大楼顶上,你从楼顶扔下一颗石头,你想让它从井盖的洞里掉下去。这比那更难。”

所以黑洞撕裂恒星的事件非常难发生,或者说不是所有黑洞附近的物质都会被吸进去。下面我们解答有关视频里的几个问题。



(一)黑洞里面有什么?

黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程:恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星球。

但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高密度而产生的力量,使得任何靠近黑洞边界的物体都会被它吸进去,就连光都无法逃离。

黑洞边界充满了能量,边界的量子效应产生了炽热粒子流,并向周围的宇宙空间辐射开来,这就是所谓的“霍金辐射”,这是以著名物理学家史蒂芬·霍金名字命名的。在足够长的时间内,黑洞将辐射消耗完自身的全部质量,并随之消失。

“简单来说,黑洞就是引力引起的坍缩。”,“我们的物质是由电磁力支撑的,引力大到一定程度,连电磁力都抵抗不住了,物质就坍缩,极端的情况就是黑洞。”

由于人们无法直接观察到黑洞,物理学家只能对它内部结构提出各种猜想。天体物理学家认为,黑洞中并不是空空如也,而是充满了大量的物质,不管物质的来源如何,它都会被推挤到一个密度无限大的点上。

这个点便叫做“奇点”。事实上,奇点的体积无限小、密度却无限大。奇点周围有一块黑暗区域,也就是黑洞的尺寸,是由它所产生的引力大小来衡量的。离黑洞很远的时候,光可以像往常那样自由穿梭,照亮它途经的天空。

而靠近黑洞后,引力变得越来越大,最终,即使跑的像光那样快也无法逃离黑洞的引力。这就是为什么奇点四周有一块黑暗区域的原因。那个由于引力巨大以至光线也无法逃脱的边界,我们叫它“视界”。

天体物理学家表示:“要知道黑洞里面是什么,我们需要有什么东西从视界里出来,并让我们用望远镜看到。对天文学家来说,要找到这样一个东西,最简单的就是光,不过黑洞连光都逃不出,因而我们无法获得任何信息。”



(二)黑洞是怎么“看到”的?

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虽然科学家们看不到黑洞的本体,但可以一直追溯到光子消失的“视界”,这是我们能“看到”的极限。

黑洞周围的确会存在一些发光的现象,比如黑洞在吃掉周围的恒星时,会将恒星的气体撕扯到身边,形成一个旋转的吸积盘。黑洞有时候也会“打嗝”,一部分吸积气体会沿转动方向被抛射出去,形成喷流。吸积盘和喷流都会因气体摩擦而产生明亮的光线,以及其他频段的辐射。

也就是说通常我们只有在它吞噬恒星的时候才能发现这个无形的巨无霸。

上图是首次黑洞“照片”,我们看到的图像是黑洞由于引力会吸积物质到它附近并且会发出强烈的辐射,并且周围有吸积盘环绕。吸积盘非常热且亮,发光的是吸积盘炙热的气体,与黑洞对比明显,因此可以通过观测吸积盘来为黑洞拍照。这次的照片就是这样拍的,黑洞的事件视界就越大,也越适合成像。



(三)什么是吸积盘?

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(黑洞可视化的各部分)

这个视频向我们展示了黑洞的重力如何扭曲恒星的光线和物质,及其周围的宇宙空间和物质的。可视化效果模拟了黑洞的“外观”,请记住实际我们在宇宙空间中看不到黑洞,并且宇宙空间中的“上下”和地球有重力的内部的三维空间的“上下”不一样。

这些落入黑洞的物质和光线能量积聚在一个又薄又热的结构中,称为吸积盘(accretion disk)。

吸积盘是一种由弥散物质组成的、围绕中心体转动的结构(常见于绕恒星运动的盘状结构)。比较典型的中心体有年轻的恒星、原恒星、白矮星、中子星以及黑洞。在中心天体引力的作用下,其周围的气体会落向中心天体。假如气体的角动量足够的大,以致在其落向中心天体的某个位置处,其离心力能够跟中心天体的引力相抗衡,那么,一个类似于盘状的结构就会形成,这种结构就叫做“吸积盘”。

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黑洞吸积盘理论基础,来自黑洞无毛定理。1973年霍金、卡特尔(B. Carter)等人严格证明了“黑洞无毛定理”无论什么样的黑洞,其最终性质仅由几个物理量(质量、角动量、电荷)唯一确定”。即当黑洞形成之后,只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量,其他一切信息(“毛发”)都丧失了,黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质,对前身物质的形状或成分都没有记忆。其实这是一种消繁归简的命名原则!于是“黑洞”的术语发明家惠勒(J.A. Wheeler)戏称这特性为“黑洞无毛”。

(四)任何物质都会被黑洞吸进去吗?

黑洞周围的“引力场”那么强,岂不是只要有东西出现在周围都会被吸进去?事实上,就像地球绕着太阳转而不撞进太阳一样,上面咱们也说了,黑洞撕裂恒星的事情是很小概率的,就像是你站在摩天大楼上扔一块石头刚好掉进下水井盖的洞里,黑洞周围的物质只要有一定的角动量,一时半会就不会掉进黑洞,而是绕着黑洞转,这一点看过星际穿越的朋友应该明白,黑洞是有“视界”范围的,这个范围就是上面视频和图中那个黑圈圈,一旦进入“视界”范围就回不来了。下图是一张描述比较详细的黑洞吸积、喷流、辐射的示意图:

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重力使得盘中的物质沿螺线被吸附至中心体;角速度的不同则使得物质进行着角差转动。而引力场使得物质被压缩,同时激发出电磁辐射。被激发出的射线频率取决于中心体的形式。

(五)为什么黑洞在旋转?



首先黑洞本身会有自旋,而黑洞——吸积盘这个体系是有某个恒定角动量的,而吸积盘中物质摩擦会导致吸积盘释放辐射损失能量。角动量要恒定,能量还要减小。物质流向太空的时候,黑洞旋转会减速。黑洞之所以能够旋转,就是物质从吸积盘流入黑洞的时候,它吸收了角动量,因此黑洞拥有了更快的旋转速度。

英国杜伦大学天文学家Chris Done最新研究中,天文学家利用更直接的方法计算了黑洞的旋转速度。他们发现了一个质量是太阳1000万倍的具有约1.5亿秒差距的黑洞。利用欧洲空间局的XMM-牛顿人造卫星,他们聚焦于更微弱的、由吸积盘直接释放的低能X射线——而非铁谱线。

这些X射线的谱形提供了有关吸积盘最内部温度的间接信息,反过来,这种物质的温度与其同黑洞表面的距离,以及正在旋转的黑洞的速度都有直接的关系。计算结果显示,黑洞正在最多以86%的光速旋转。

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你看上面这张图,随着磁场在气体的搅动中缠绕并扭曲,明亮的“结点”不断在吸积盘中形成并消散。最靠近黑洞的位置气体以80%左右的光速运转,而外部速度则相对慢多了。这种速度差拉伸并出现了这些明亮的“结点”,在吸积盘中产生了或明或暗的路线,这是非常多的层累,也就是说这里面还掺杂了非常多的恒星物质、宇宙物质和能量辐射等。

从“侧面”看,在黑洞周围的气体湍流呈现出神奇的双峰状外观。黑洞改变了空间的扭曲程度进而改变了来自吸积盘不同部分的光的路径,并且光线也会受到太空中被黑洞吸引来的其他物质的影响光路,从而在视界外边产生这种扭曲的图像。侧视时扭曲的程度最大。

有没有发现一个问题,为什么黑洞视界“底下”的轮廓和“上面”的轮廓不对称呢?看下图,星际穿越中的黑洞图标注的位置也是不对称的。还有边缘为什么虚化了?而且旋转的时候“左右”亮度不一致?

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靠近黑洞的地方,引力的效应如此强,以至于吸积盘底面的光被弯曲到上面,看起来像勾勒黑洞轮廓的光环。这个所谓的“光子环”(photon ring)实际上由多个环组成,这些环绕黑洞两次、三次、甚至更多次,光环逐渐变暗变细,到后来我们的眼睛根本看不到这样尺度的光线了。

从外部某人的角度来看,这种光线变化会导致图像变形。从吸积盘边缘观看时,失真效果最明显。

因为在这个可视化中建模的黑洞是球形的,光子环从任何角度看起来几乎是相同的圆形。光子环内部是黑洞的阴影,面积大约是事件“视界”的边界(即使是光也逃不出来)的两倍大小。

给大家看一个数据图,可能更容易理解,

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上图不是吸积盘的照片。光中间黑色的影像,黑洞事件视界的“影子”。

这是亚毫米波信号图,此图中的光亮部分并不是吸积盘的影像,而是黑洞周围物质(吸积盘、射流)发出的光子在黑洞引力影响下的分布状况,受黑洞旋转和观察角度的影响远大于发光物体本身的旋转。在接近俯视的时候主要的光来自黑洞背面的射流。如果想要了解详细内容可以点击阅读原文查看专业论文。图来自论文。

(六)吸积盘左右光线为何忽明忽暗的不均匀?



黑洞自旋转加上吸积盘的旋转,官方的解释是:从侧面看,吸积盘的左边看起来比右边更亮。这是因为左侧的发光气体在快速向我们移动,所以相对论使其亮度提高;

右侧则相反,因为这一侧的气体离我们越来越远,所以看起来略微变暗。如果我们从吸积盘正上方看(视频最后有上面的展示),这种不对称性便会消失,因为从该角度,我们的视线上没有物质在左右移动。

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据NASA称,盘上似乎勾勒出黑洞的部分实际上是环的底面。这也是由于黑洞的引力引起的极端弯曲。从任何角度观看时,外观看起来都是相同的。这也就是为什么视频中最后是从上面给大家观看一下的原因。在宇宙空间中“上下”、“左右”和“前后”不是我们地球上的这种重力环境下的生物感受。

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NASA戈达德太空飞行中心的Jeremy Schnittman解释说:像这样的模拟和片段确实帮助我们形象化了爱因斯坦所说的重力扭曲时空结构的含义。直到最近,这些可视化还仅限于我们的想象力和计算机程序。我从没想过有可能看到一个真正的黑洞。

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(七)一个人掉进黑洞后怎样?



黑洞自身所带有的许多神秘色彩令人猜测,如果人掉入黑洞,究竟是会被立即撕成碎片,还是会安然无恙毫发无损?《三体》死神永生中掩体纪元的高way掉进去人造黑洞的场景我印象深刻。

其实这个问题没人知道答案。也许掉入黑洞并不一定意味着死亡,你的命运或许会变得比你想象中的更加神奇、怪异,因为在一个场景里你已化为灰烬,而在另一个场景里,你还好好地活着。

这啥意思?这就是靠理性推理出现的悖论,也就是二律背反,理论物理学发展到现在的一个无法解释。

假设了一个例子,你的同学叫艾AA。当你进入黑洞视界范围内,也就是掉入黑洞时,她正处于安全的范围,而且亲眼目睹你掉入黑洞的恐怖的一幕。

当你向黑洞的边界不断加速掉落时,因为引力的梯度变化太大,艾AA会看到你首先被潮汐力拉长成一根意大利面,然后变成一团虚无。

此外,当你距离黑洞边界点越近,你前进的速度看起来就会变得越来越慢,在她眼中,你就像凝固住了一样,静止在那里,没有任何动作,身体沿着边界不断拉伸,并被火焰吞噬。

然而,换成你自身的角度来回顾整个过程,上述神奇的事情并没有发生。当你向黑洞不断加速前进时,你没有任何碰撞或不安的感觉,当然没有拉伸、变慢的变化和可怕的烈火炙烤。那是因为你正处于自由落体运动过程中,你没有感受到任何重力。

从艾AA的角度来看,因为量子物理学的核心宗旨是信息永远不能丢失。任何一点点能够描述你存在的信息必须要留在黑洞边界之外,否则物理学定律将会失效。而从置身黑洞之中的你来说,没有遇到炽热粒子流或任何非正常事物也是事实。否则,你将违背了爱因斯坦论证的广义相对论。

因此,物理学定律让我们得到一个似乎非常荒谬的结论。物理学家将这种矛盾的结论称为“黑洞信息悖论”,即人掉入黑洞必须同时具备两种状态,即黑洞外的一堆灰烬和黑洞内的活生生的人。

美国物理学家李奥纳特·苏士侃于1990年找到了解决这一悖论的方法。他认为,这一悖论并不存在,因为没有任何人看到过自己的克隆版本。艾AA只看到了那个化为灰烬的你,你也只看到了存活的自己,你和艾AA永远无法将这两个“你”进行对比,也没有第三者同时看到黑洞内外的你。因此,没有任何物理学定律会被打破。除非你要求必须弄清楚哪个故事是真实的,你究竟是活着还是死的。

黑洞告诉我们一个重要的秘密,那就是没有所谓的“真实”。“真实”取决于你在问谁,既有艾AA认为的“真实”,也有你认为的“真实”,而你俩不可能交流,并且没有第三方观察者可以同时看到黑洞内外的你俩。

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(八)研究黑洞有什么意义?



黑洞对宇宙有着极为重要的影响,宇宙的未来有两个,其中一个就是巨大的黑洞使得宇宙再次终结,回归一个奇点。然而最新的理论表明,黑洞也会慢慢蒸发,蒸发的方式是霍金辐射,大体意思就是:在"真空"的宇宙中,根据海森堡不确定性原理,会在瞬间凭空产生一对正反虚粒子,然后瞬间消失,以符合能量守恒。

在黑洞视界之外也不例外。斯蒂芬·威廉·霍金推想,如果在黑洞外产生的虚粒子对,其中一个被吸引进去,而另一个逃逸的情况。如果是这样,那个逃逸的粒子获得了能量,也不需要跟其相反的粒子湮灭,可以逃逸到无限远。在外界看就像黑洞发射粒子一样。

这个猜想后来被证实,这种辐射被命名为"霍金辐射"。由于它是向外带去能量,所以它是吸收了一部分黑洞的能量,黑洞的质量也会渐渐变小,消失;它也向外带去信息,所以不违反信息定律。所以宇宙的命运现在更大可能是走向撕裂。


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