當你掉進黑洞的最後一刻,你會看到什麼?

內容簡介:19年4月,天文學家釋出了人類拍到的首顆黑洞的照片,但它依然是模糊的。一組科學家根據公式重新對其進行了模擬。並對光在黑洞周圍的運動情況作了簡單描述。

當你掉進黑洞的最後一刻,你會看到什麼?

2019年4月,天文學家公佈了一張在M87星系中心位置的超大質量黑洞的驚人照片。這是迄今為止拍攝到的最高解析度的黑洞照片,它展示了一個奇異的、發光的、中心有一個黑點的模糊的物質環。其實這並不是黑洞真正的樣子,從某種意義上說這是它的影子,因為黑洞周圍不存在軌道穩定的大體積空間,甚至是光本身也無法逃離黑洞。

當你掉進黑洞的最後一刻,你會看到什麼?

第一張關於超大質量黑洞事件視界的影像。這張照片顯示了黑洞的輪廓,它的質量是太陽質量的65億倍,位於距離地球5500萬光年的M87星系中心。來源:NSF

為什麼這張照片是模糊的呢?主要有兩個原因。第一,儘管事件視界望遠鏡(因進行觀測的陣列被命名)結合了世界各地望遠鏡的力量,但解析度不夠高,無法看到許多細節。從5500萬光年遠的地方進行觀測,即使是一個大黑洞看起來也相當小。第二個原因是拍攝曝光時間長,所以任何像圍繞黑洞旋轉的氣體團之類的特徵都變得模糊。

假設有一張足夠高解析度的黑洞照片會是什麼樣子?

當你掉進黑洞的最後一刻,你會看到什麼?

一個天文學家和物理學家組成的團隊決定解答這個問題。他們利用愛因斯坦的廣義相對論方程(這影響著黑洞附近的空間和光的行為),建立了一系列的影象來研究黑洞從外部觀測是什麼樣子的。

當你掉進黑洞的最後一刻,你會看到什麼?

這幾張模擬M87星系中心黑洞扭曲其周圍光線時的效果圖。下面三張圖:在不同時間點黑洞周圍光線的快照。上圖:所有快照的合成圖,也就是事件視界望遠鏡在2019年拍攝到的歷史性黑洞照片的“高畫質版”。來源:

Johnson et al。

天啦。這幾張照片是什麼意思?

下排的三幅圖分別是三張透過模擬在真實黑洞中的物理特性生成的快照。舉例來說,科學家們使用了62億太陽質量,一個相對於M87星系與我們自身相匹配的視角,以及在一個叫吸積盤的平面盤中圍繞它旋轉的物質數量(透過對該物質的紅外觀測計算)。它的規模非常地小;50μas=50微秒,而1弧秒相當於5公里外的一個25美分的硬幣大小。所以這差不多就是在這枚25美分的硬幣上看到了細菌。

而上面的圖片是把一系列快照組合起來的效果,這也展示瞭如果事件視界望遠鏡具有無限高的解析度,在長曝光情況下拍攝到的黑洞照片的樣子。你會看到了一個明亮的光環,有點不對稱,一些光線來自內部,一些來自外部,以及在中心的黑色空隙。

當你掉進黑洞的最後一刻,你會看到什麼?

這又意味著什麼呢?

正如我在前文中所解釋的,本文的中心是黑洞。事件視界是指我們到黑洞曲隔界線的距離,在這個曲隔界線上,黑洞的逃逸速度等於光速。一旦越過界限進入黑洞,你就不可能回來了。

但不是 “穿過去”那麼簡單。這個區域之外的空間仍然極度扭曲,所以如果一個光子飛過黑洞,它的路徑就會被扭曲。扭曲的程度取決於它離的黑洞有多近。

這就是奇妙的地方。好吧,非常奇妙。

假設我們處於黑洞中心,距離黑洞越近的光子可能會扭曲得越嚴重,即使它本來沒有朝我們的方向移動,黑洞也會改變它的軌跡,使這顆光子朝我們移動(科學家稱之為n=0光子)。因為光子是從四面八方向黑洞進發的,所以形成外部分散且模糊的現象。

但在距離黑洞更近一些的光子會被黑洞扭曲180°(n=1個光子)從而形成一個更尖銳光錐。那些更靠近黑洞一些的光子,在朝向我們(n=2)之前已經繞著黑洞轉了一圈,並形成了一個更尖銳,更小的光錐。以此類推,能夠多次環繞黑洞執行的光子越來越少,黑洞周圍有可能存在這些物質的區域會變得越來越薄,所以這些光子形成的光錐更尖銳。就這樣,更稀薄的軌道上的光子形成的光錐變得越來越模糊和尖銳,所以你看不清楚它們。

當你掉進黑洞的最後一刻,你會看到什麼?

所以每一個光子,從稍微彎曲,到彎曲更多,然後繞軌道執行一次,然後兩次,就這樣,最終形成了我們看到的影象。

我知道,這有點讓人頭疼。我可能提到過黑洞附近的一切會變得更奇妙。

我們有可能獲得一個比上面的模擬圖片更真實的黑洞的影象嗎?實際上是可以的!有一種方法是向太空發射射電望遠鏡,擴大陣列的基線。你們的望遠鏡彼此距離越遠,解析度就越高。這種方法伴隨的問題是射電望遠鏡必須很大,一般來說需要幾十米寬(如果沒有更多要求的話),要把這麼大的東西送入太空並不容易。我不確定在未來的幾十年裡我們能否做到這一點?或許甚至可以在月球上建造一些,放在同樣大小的隕石坑裡,這些隕石坑是為了保持穩定性……如果可以,我們會得到與計算結果相當黑洞影象。

當你掉進黑洞的最後一刻,你會看到什麼?

不過,在那之前,我們仍然可以用現有的裝置進行研究,這些裝置已經非常棒了。我們學到了很多如果你掉進黑洞會看到的東西。你不會看到它很長時間-當你靠近它的時候你會接近光速-你可能會忙著被重力和潮汐撕成碎片,被高能輻射炸成碎片。但這場黑洞冒險還是很酷。

作者:

Phil Plait

FY: X-inG

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