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小心,有黑洞!

星球研究所

|

2023-11-03 16:34:27

你凝视深渊的时候

深渊也在凝视着你

2019年4月

第一张黑洞照片公布

人类第一次真正凝视这个宇宙的深渊

(人类拍摄到的首张黑洞照片,图片来源@EHT Collaboration,标注@小黑/星球研究所)

而此时

距离人们对黑洞是否存在的质疑

已经过去了一百多年

对黑洞而言

这不过是短短的一瞬间

但对人类而言

却是一段不断颠覆想象的漫长之旅

而正是这场持续百余年的思想狂飙

才让我们能够写下这篇文章

带你一窥宇宙中的至暗深渊

(黑洞艺术家想象图,图片来源@wikimedia commons)

那么

到底什么是黑洞?

它为何拥有如此强大的力量?

以至于一切物质、能量甚至包括光

都无法逃脱它的致命吸引

(NGC 1097天炉座棒旋星系,其星系中心存在一个质量巨大的黑洞,摄影师@严智鹏)

要解答这些问题

首先要从一桩天文疑案讲起


01  疑案


1964年

科学家在银河系内的天鹅座方向

偶然发现一颗蓝色恒星

它不仅质量和温度远超一般恒星

还有两个疑点令人费解

(参宿二以及周边星空,参宿二也是一种亮度和质量远超一般恒星的天体。此图仅为示意,非天鹅座那颗蓝色恒星,摄影师@欧铭枝)

疑点一

作为银河系中一颗单独的恒星

它却在围绕银河系中心公转的同时

还沿着另一个椭圆轨道打转

(太阳在银河系中的位置,它只围绕着银河系中心公转,而无其它公转运动,图片来源@NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt)

疑点二

在这个蓝色恒星附近

科学家探测到了强烈的高能辐射

而它本身并不能产生这样高的能量

难道

这颗恒星周围还存在另一个天体?

是它的存在改变了恒星的运动轨道

并产生了强烈的辐射吗?

可是

如果这样的天体真的存在

人们又为何看不到它呢?

为了解释这种种疑点

人们想起了一个古老的预言


02  预言


早在十八世纪

就有科学家预言

天空中存在着一种特殊的天体

它的引力非常强大

以至于连光都无法从中逃离

因此我们将无法看见这个天体

这种黑暗的天体就是“暗星”

(请横屏观看,黑洞艺术家想象图,黑洞位于图中最亮区域的中心,图片来源@ESO/M. Kornmesser)

然而彼时

人类所知的一切物理学理论

都无法对这种“暗星”

做出合理的解释

直到1915年

爱因斯坦完成广义相对论

虚无缥缈的预言才有了真正的理论基础

不久后

德国军人兼天文学家卡尔·史瓦西

在一战前线的战场上

计算出了“暗星”的半径公式

首次描述了“暗星”的“势力”范围

这个公式称为史瓦西半径

而这里“暗星”的称呼之后会被

一个更响亮的名字取代

黑洞

(卡尔·史瓦西,爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在,史瓦西给出了该理论方程的第一个解,所以有一种黑洞的类型以他的名字命名,图片来源@wikimedia commons)

史瓦西半径表明

黑洞的质量越大

其“势力”范围也就越大

如果将地球压缩成一个黑洞

那么它的史瓦西半径只有约9毫米

相当于1角硬币的大小

(哈勃望远镜和地球,图片来源@视觉中国)

以史瓦西半径为界

黑洞内外就是彻头彻尾的两个世界

黑洞内部发生的一切事件

从外部都无法看到

因此这条边界也被称为事件视界

(NGC 3201黑洞艺术家想象图,黑洞对附近的时空产生了影响,图片来源@ESO/L. Calçada)

当物质穿过事件视界进入黑洞内部后

将不可抗拒地朝中心落去

那里是密度无限大的奇点

物质将再无“回头路”

这听起来如此神奇

但这样的黑洞真的存在吗?


03  线索


就在黑洞的研究蓬勃发展的时候

受到二战爆发的影响

众多物理学家纷纷投向原子弹的研究

其中就包括“原子弹之父”奥本海默

他在1930年末从恒星演化角度

预测了黑洞的存在

而1942年

奥本海默被任命为

“曼哈顿计划”的首席科学家

开始专注于原子弹的研制工作

就这样

黑洞的话题逐渐被人们遗忘
直到另外一种理论天体的发现

重燃了人们研究黑洞的热情

(奥本海默[左一]正在向周围的人展示原子弹爆炸的照片,图片来源@视觉中国)

1967年

科学家重复接收到

宇宙中一种奇怪的信号

它每隔1.337秒就会准时光顾地球一次

起初科学家以为是外星文明发来的讯息

后来经过确认

这个信号来自一颗高速旋转的中子星

一种几乎完全由中子构成的天体

它从天体两极辐射出的电磁波

不停地扫过深空

就像宇宙灯塔

为浩瀚宇宙中的旅行者指引方向

(高速旋转的中子星示意,在中子星发现后不久,约翰·惠勒首次使用黑洞一词,图片来源@新片场,标注@小黑/星球研究所)

而中子星和黑洞一样

皆为恒星的最终宿命

像地球上的生灵

宇宙中的恒星也有“生死”

在恒星生存阶段

自身的燃料燃烧让恒星向外“膨胀”

从而抵抗因物质相互吸引

带来的向内“收缩”

当两种力量达到平衡时

恒星便能保持稳定的存在

(正在燃烧的太阳,太阳内部一直发生着核聚变反应,使得太阳稳定存在了上亿年。由于宇宙中恒星等天体质量通常比较大,所以在衡量其体重时一般使用太阳的质量作为基本单位,摄影师@王佳奇)

但恒星的燃料总会有消耗完的一天

此时燃烧产生的力量消失

恒星在引力作用下急剧向内坍缩

形成一个密度非常大的致密天体

其他多余的物质则被抛散出去

恒星就此消亡

而最终会形成什么致密天体

取决于恒星的质量

8倍太阳质量以下的恒星坍缩成

表面温度高、体积小的白矮星

它的质量最大仅为1.44倍太阳质量

这也是我们的太阳最后的结局

(天狼星有A星和B星,其中天狼星B于1915年被确定为白矮星,但它在星空中的亮度远不及A星,所以在地面上我们只能看到A星的光芒。在我国古代星象学中,天狼星“主侵略之兆”,苏轼在《江城子·密州出猎》中写到“会挽雕弓如满月,西北望,射天狼”,以天狼星比拟北宋边境的西夏,摄影师@王晋)

8~30倍太阳质量的恒星会坍缩成

中子星

(船帆座超新星遗迹,恒星坍缩成中子星后留下的遗迹,遗迹区域的物质能量较高,在可见光和X射线波段呈现出明亮的色彩,摄影师@有手就行)

当中子星质量超过3.2倍太阳质量

则会进一步坍缩

形成黑洞

(请横屏观看,超大质量黑洞艺术家想象图,图片来源@NASA/JPL-Caltech)

此前

这些恒星死亡后形成的致密天体

只有白矮星被观测证实

而随着中子星的发现

人们有理由相信

黑洞

大概率真的存在

那座闪烁的宇宙灯塔

似乎在为人类照亮寻找黑洞真相的方向


04  真相


1975年

著名物理学家霍金

就和同是物理学家的基普·索恩打赌

霍金认为那颗诡异蓝色恒星

附近的未知天体不是黑洞

而基普的观点则与之相反

在随后多年的观测中

越来越多的证据表明

那个未知天体的质量为8.7倍太阳质量

超过了中子星3.2倍太阳质量的极限

所以它就是个黑洞

(请横屏观看,艺术家想象下天鹅X-1黑洞以及附近的蓝色恒星,天鹅座X-1是人类历史上发现的第一个黑洞,它的名字表示它是天鹅座内发现的第一个X射线源,X射线是一种高能量的电磁波,图片来源@ESA/Hubble)

1990年6月的一个晚上

霍金在助手的帮助下闯入基普办公室

在赌约上签字认输

并幽默地在赌约上按上了大拇指印

实际上对于研究黑洞的霍金而言

这正是他所期待的结局

(霍金和基普索恩[左一],2021年科学家对天鹅座X-1黑洞重新测量的结果为21.2倍太阳质量,图片来源@视觉中国)

就这样

人类发现了第一个黑洞

那么此前的种种疑点

便都有了合理的解释

黑洞的存在使得周围时空发生弯曲

那蓝色恒星便沿着弯曲的轨道围绕黑洞旋转

这就是黑洞引力作用的体现

(艺术家想象下银河系中心黑洞的存在导致周围恒星围绕其做椭圆运动,标注的蓝圈为黑洞位置,图片来源@ESO/M. Parsa/L. Calçada)

明白了其中一个疑点

另一个疑点便迎刃而解

黑洞强大的引力

吸引蓝色恒星上的物质

使它们旋转落入黑洞

在周围堆积成一个盘状结构

称为吸积盘

(黑洞吸积盘可视化模拟示意,受黑洞强大的引力作用,不同角度下看到的吸积盘会有不同的变化,黑洞后方吸积盘的光在向前传播时会发生弯曲,图片来源@NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman,标注@小黑/星球研究所)

盘内的物质相互摩擦

产生数百万摄氏度的高温

从而产生高能辐射

(黑洞吸积恒星艺术家想象图,图片来源@NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR),标注@小黑/星球研究所)

此外

吸积过来的物质并不是全部落入黑洞中

受到黑洞磁场等因素的作用

一部分物质会汇聚成狭窄的物质流

喷射出去

犹如利剑刺向深空

称为喷流

这些喷出的物质飘散在宇宙空间

未来将孕育出新的天体

(哈勃空间望远镜拍摄到的武仙座A星系中的超长喷流结构,图片来源@NASA/ESA)

相较于黑洞本身

它的吸积盘和喷流则明亮可见

这成为天文学家找到黑洞的有力手段

(黑洞结构示意图,图片来源@ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann,标注@小黑/星球研究所)

不仅如此

黑洞的致命吸引还留下了更多蛛丝马迹

当光经过黑洞周围时

将不可避免地沿着弯曲的时空传播

从表面现象来看

光不走直线了

它拐弯了

(黑洞的存在使得经过的光线运动轨迹发生改变,制图@小黑/星球研究所)

当黑洞附近存在另一个致密天体时

这种引力作用会使得

两个天体围绕着彼此旋转靠近

并最终合并成更大质量的黑洞

(双黑洞环绕运动模拟示意,图片来源@NASA,标注@小黑/星球研究所)

在这个过程中

这两个天体附近弯曲的时空发生了扰动

并以波的形式向外辐射出去

这就是时空的涟漪
引力波

(相互围绕旋转的两个致密天体向外辐射引力波,制图@小黑/星球研究所)

2015年,人类首次成功探测到了

双黑洞合并产生的引力波

它穿越13亿光年的距离到达地球

科学家们根据它推算出了双黑洞的质量

如果说在此之前的天文学

人类是使用“眼睛”看

而引力波的成功探测

则意味着人类可以用“耳朵”

聆听来自宇宙时空的低语

(美国激光干涉引力波天文台测得的引力波合并事件中黑洞的质量对比,黑洞与其它天体合并是黑洞质量增长的方式之一,制图@黑砸/星球研究所)

通过这些方法

人类探寻到了越来越多的黑洞

但在物理学家眼里它却是超乎想象的简单

只需要3个物理量就足以囊括所有

第1个指标是“有多重”

也就是质量

第2个指标是“是否旋转”

通常用角动量表示

第3个指标是“带不带电”

电荷

按照质量,黑洞可分为三类

小于100倍太阳质量的黑洞

是为恒星级黑洞

宇宙中大部分恒星生命的结局都是这类黑洞

100万倍太阳质量以上的黑洞

称为超大质量黑洞

这种级别的黑洞一般存在于星系中心

是星系演化的关键“人物”

介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的

中等质量黑洞

相较于前两种黑洞

由于观测到的数量较少

我们对这种黑洞还缺乏足够的了解

(致密天体质量与太阳质量对比,太阳并不属于致密天体,图中仅为对比示意,图片来源@NASA/CXC/视觉中国/王佳奇,制图@黑砸/星球研究所)

除了按质量分类

按照角动量和电荷

黑洞还可分为四种类型

(下图为按照旋转和电荷的黑洞分类,图片来源@视觉中国,标注@黑砸/星球研究所)

尽管已探寻到黑洞如此多的奥秘

但这也只是通过

吸积盘、喷流

引力作用、引力波

这些间接的办法找寻到它

就像我们无法看到风

但却可以通过风吹起的沙土

而间接判断风的存在一样

(请横屏观看,雅丹地貌是一种典型的风蚀地貌,它的形成离不开风的作用,摄影师@孙祺)

人类的好奇心驱使着科学家迫切地想要

“眼见为实”

黑洞到底长什么样子?

是否可以直接让黑洞现出“真身”?


05  现身


给黑洞拍照片

便是物理学家给出的答案

但这需要

一个史无前例的超大望远镜

以观测超大质量黑洞为目标的

事件视界望远镜

(Event Horizon Telescope,简称EHT

应运而生

(正在“进食”的黑洞艺术家想象图,明亮的吸积盘和喷流证明了它的存在,图片来源@Aurore Simonnet and NASA’s Goddard Space Flight Center)

首先

我们需要选定拍摄对象

为了能够看得见、拍得清黑洞

质量大、距地球近是必要条件

银河系附近的M87星系

就正好存在这样一个超大质量黑洞

它的质量是太阳的65亿倍

(M87星系,为图片中的最亮点,图片来源@ESO)

尽管这个黑洞已经如此庞大

但它和地球的距离依然有5500万光年之远

从地球上看它

相当于要看清月球表面的脚印

这非常考验望远镜的分辨能力

(从地球上观测月球上的脚印,制图@郑艺/星球研究所)

望远镜的口径越大

其分辨能力就越高

位于贵州的“中国天眼”

是世界上最大的单口径射电望远镜

它的口径达到了500米

但这仍无法满足科学家的要求

想要给黑洞拍照

望远镜口径要达到“地球级别”

(坐落于群山之间的“中国天眼”,摄影师@酷鸟魏建)

单个望远镜行不通

那就想办法利用多台望远镜

科学家通过特殊的方法

将分布在全球各地的射电望远镜联合起来

等效成一台口径更大的虚拟望远镜

这就是甚长基线干涉测量技术

(Very Long Baseline Interferometry)

简称VLBI

望远镜之间的距离称为基线

而虚拟望远镜的口径相当于

最远的基线长度

基线越长

虚拟望远镜的分辨能力也就越高

(请横屏观看,位于四川稻城的圆环阵太阳射电成像望远镜,又称“千眼天珠”,313台天线等效于一个虚拟望远镜,摄影师@蓝燕斌)

参与第一次黑洞拍摄的8台望远镜分布在

墨西哥、西班牙、智利、南极

美国夏威夷以及亚利桑那州等地

它们组成了口径等效于地球直径的虚拟望远镜

(2017年EHT望远镜阵列分布,下图标注的英文是望远镜英文名称的缩写,制图@郑艺/星球研究所)

搞定了望远镜的口径

但并不表示可以立即开始观测了

因为要将它们完美联合

就必须在同一时刻进行观测

考虑到天气、观测任务安排等诸多因素

参与拍摄的8台射电望远镜

在2017年全年的观测时间只有10天

(请横屏观看,位于美国夏威夷州海拔4000米山上的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜(JCMT)与亚毫米波阵列(SMA),高海拔的环境保证了良好的观测效果,并且必须选择在晴朗的天气进行,因为大气中的水分会对观测产生影响,摄影师@俞乐)

观测时间虽短

但获得的数据却很丰富

总共产生的观测数据量达到了3500TB

换算成电影要三百多年才能看完

而光是处理这些数据

就耗费了2年的时间

2019年4月10日

人类首张黑洞照片公布

被科学家打趣地称为“甜甜圈”

明亮的外圈是黑洞周围的吸积盘

而中间的阴影就是黑洞所在的区域

(首张黑洞照片,图片来源@EHT Collaboration,标注@小黑/星球研究所)

M87黑洞还有一条长约5000光年的喷流

但这次只拍到了黑洞和它的吸积盘

“家庭成员”并不完整

(M87黑洞的喷流结构,即图中的长条形状,图片来源@wikimedia commons)

所以在2018年

我国科学家领导的国际团队

利用相同的技术手段

在新的观测波段重新为M87黑洞拍照

新波段下的望远镜视场更大

能够看到更多的黑洞结构

不仅如此

望远镜的数量也由上次的8台增加到了16台

大大提升了虚拟望远镜的成像质量

(2018年参与拍摄黑洞的望远镜地理位置分布如下,制图@郑艺/星球研究所)

2023年4月

科学家公布了M87黑洞的“全景照”

首次将黑洞及周围结构成像在一张图片中

(M87黑洞“全景照”,可以看到喷流结构表现为三部分,形状类似“三叉戟”,图片来源@R.-S. Lu (SHAO)/E. Ros (MPIfR)/ S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF),标注@小黑/星球研究所)

5个月后

我国科学家证明

这个人类首次“看见”的黑洞

是在旋转

而在此之前

黑洞是否处于旋转状态

并没有直接的观测证据

(M87黑洞喷流进动示意,自旋物体的自转轴还在围绕另一个中心轴转动即表现为进动,素材来源@崔玉竹,Intouchable Lab@Openverse,标注@小黑/星球研究所)

除了遥远的M87黑洞

我们居住的银河系中心

同样存在一颗超大质量黑洞

科学家也给它拍下了照片

(2022年公布的银河系黑洞照片以及银河系中心区域,黑洞照片看起来也像个甜甜圈,图片来源@NASA/CXC/HST/ EHT Collaboration,标注@小黑/星球研究所)

对黑洞进行成像是天文学的突破性进展

但这也只是探索黑洞迈出的第一步

未来科学家们还将进行更多尝试

比如在不同波段给黑洞拍摄“彩色照片”

甚至是加上时间维度来拍摄“黑洞电影”

也许到那时

伴随更全面的观测和理解

黑洞也将不再神秘


06  尾声


黑洞

以它致命的引力

不仅吸引万物

也吸引着人类不断探索

它的存在

曾经超出了人类的想象

即便是爱因斯坦都一度怀疑

但却最终被证明是真实存在的

宇宙如此神奇

要等到眼见未必太晚

黑洞的探索之旅也告诉我们

只有让思想不断狂飙

才能让人类超越固化的观念

进入一个新的世界

所以

在接下来的探索旅程中

请让思想继续狂飙

但不止一百年

(头顶的星空充满了无限未知与可能,摄影师@Windsky)

本文创作团队

  • 撰文:星河 编辑:李黑梨

  • 图片:张钊海 地图:郑艺

  • 设计:小黑&黑砸

  • 审校:王昆&松楠

  • 封面来源:NASA/JPL-Caltech

审核专家

  • 南方科技大学理论物理博士 冯海源

注:本文讨论的黑洞事件视界和奇点是基于史瓦西黑洞背景。


【参考文献】

  • [1] 赵峥,刘文彪. 广义相对论基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 2010.

  • [2] 袁业飞, 唐泽源. 事件视界望远镜对近邻星系 M87中心超大质量黑洞的成像观测[J]. 科学通报, 2019, 64(20):5.

  • [3] 赵雪杉, 冯叶, 苟利军. 解读天鹅座X-1最新参数测量结果[J]. 自然杂志, 2021, 43(3): 209-216.

  • [4] (美) 艾伦·莱特曼(Alan Lightman). 偶然的宇宙[M]. 吴峰峰. 上海: 文汇出版社, 2023.

  • [5] (美) 尼尔·德格拉斯·泰森, (美)唐纳德·戈德史密斯. 140亿年宇宙演化全史[M]. 阳曦. 北京: 北京联合出版公司, 2019.

  • [6] 洪晓瑜,张秀忠,郑为民等.VLBI技术研究进展及在中国探月工程的应用[J].深空探测学报(中英文),2020,7(04):321-331.

  • [7] Lu, RS., Asada, K., Krichbaum, T.P. et al. A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet. Nature 616, 686–690 (2023).

  • [8] Edgar Castillo-Domínguez.First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole[J].The Astrophysical Journal Letters, 2019, 875(1).

  • [9] Edgar Castillo-Domínguez.First M87 Event Horizon Telescope Results. II. Array and Instrumentation. 2019[2023-10-07].

  • [10] MILLER-JONES J C A, BAHRAMIAN A, OROSZ J A, et al. Cygnus X-1 contains a 21-solar mass black hole – Implications for massive star winds [J]. Science, 2021, 371: 1046-1049. DOI: 10.1126/science. abb3363.


星球研究所

以地理的视角,专注于探索极致世界

···THE END···

特别声明:本文为人民日报新媒体平台“人民号”作者上传并发布,仅代表作者观点。人民日报提供信息发布平台。

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