康佳手机,黑洞你好:第一次拍到你前,我现已无数次描绘过你的姿态 | 热门,poor

在黑洞第一张相片面世的新闻发布会上,有记者这样向研讨组的成员发问:

总算得到三体三死神永生黑洞的第一张相片的时分,你们是什么感触,有没有开Party,有没有激动得热泪盈眶?

“我真的流泪了。”

“说实话,有点震动。咱们或许会见到含糊的东西,咱们的确见到了。咱们或许会看到之前没有预料到的东西……可是没有任何超出预料的东西。“

究竟,咱们现已在心目中,将黑洞描绘了将近100年。

太长不看:

图 | DeluceArt

100年前的1919年,爱丁顿远征西非观测日全食,验证了爱因斯坦的预言:质量的确能够令时空曲折

52年前的1967年,惠勒第一次提出“黑洞”一词,用以指称一种只在理论上存在的、极点细密、令时空无限曲折的天体。

2019年4月10日,咱们总算亲眼目睹黑洞存在的直接依据:横跨地球直径的8台望远镜强强联手,组成史诗般抚顺的“事情视界望远镜”,奉上了人类的第一张黑洞相片——

EHT拍到的M87中心黑洞相片 | EHT

一个世纪的求索,咱们总算等参考文献格局到了今日。

轻舟既过万重山,犹忆往昔峥嵘岁月稠。

——现在请让咱们一同回忆,这张必将载入史册的名贵印象,阅历了怎样绵长的百年酝酿。

爱因斯坦叕对了

1915年,爱鸭嘴兽因斯坦用他天才的物理直觉,提出广义相对论,推翻了人类对时空实质的认知。

咱们能够借惠勒之言归纳广义相对论的精华:“时空决议物质怎样运动,物质决议时空怎样曲折。”

国际万物,本来被以为仅仅广袤时空舞台上的艺人,在广义相对论的国际里,却成为舞台本身的建构师。

广义相对论给出许多重要的预言,其间许多在刚面世时,都显得过火斑驳陆离,让人不敢相信。

可是100年来,这些预言逐个取得试验和观测的证明,让爱因斯坦取得物理学史中登峰造极的方位

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广义相对论预言,大质量天领会让周围的时空发作显着曲折,布景星光行为此处,会跟着时空的曲折而被偏折。

1919年,英国地理学家亚瑟爱丁康佳手机,黑洞你好:第一次拍到你前,我现已无数次描绘过你的姿势 | 抢手,poor顿和搭档,别离带领一支远征队赶赴巴西和西非,运用日全食的名贵机遇,丈量太阳邻近恒星的方位——比照星图,他们发现这些恒星的方位好像略微远离了日面,并且远离的起伏契合广义相对论的预言。

1919年验证广义相对论预言的日全食 | Ro数鸭歌yal Astronomical Society

这是爱因斯坦提出广义相对论之后,第一个专门为验证广义相对论预言而施行的重要观测。成果一出,马上让爱因斯坦名声大噪。

当天体质量更大、曲折星光的效应更显着,中心的大质量天体就好像一个会聚光线的凸透镜,让背sketchup景光源呈现歪曲、扩大的多个虚像。广义相对论预言的这种现象,被称为“引力透镜”效应。

而引力透镜成像在国际中现已被广泛发现:

五花八门的强引力透镜效应现象——“爱因斯坦环” | 哈勃望远镜

19康佳手机,黑洞你好:第一次拍到你前,我现已无数次描绘过你的姿势 | 抢手,poor74年,美国地理学家拉塞尔赫尔斯和约瑟夫泰勒,运用其时国际上最大的单口径射电望远镜,坐落美洗衣屋国波多黎各的305米阿雷西博望远镜,发现了坐落中子星双星中的一颗毫秒脉冲星。

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广义相对论预言,两个天体互相绕转时,会因为搅动时空、宣布引力波而丢失轨迹能量,让两颗中康佳手机,黑洞你好:第一次拍到你前,我现已无数次描绘过你的姿势 | 抢手,poor子星之间的间隔趋于衰减。

两位地理学家发现,这颗脉冲星的脉冲抵达时刻体系性地逐步偏移,而这种偏移刚好契合广义相对论预言中,双体体系因宣布引力波而发生轨迹衰减的状况。

PSR B19生育险怎样报销13+16公转周期的缩短。红点为实践调查到的值,和广义相对论所猜测的缩短值抛物线相契合。

这是对广义相对论的一次严厉查验。赫尔斯、泰勒二人凭仗这一发现取得了1993年诺贝尔物理学奖。

2015年,美国激光干与引力波康佳手机,黑洞你好:第一次拍到你前,我现已无数次描绘过你的姿势 | 抢手,poor地理台(LIGO)更是第一次直接探测到双黑洞并合事情发生的引力波:

LIGO观测到的第一次双黑洞并合引力波事情。

促进这一发现的几位物理学家简直当即斩获了2017年诺贝尔物理学奖。

更不用说,咱们每个人手中应用着GPS卫星定位体系的电子设备,全都获益于广义相对论:假如不对地球引力及卫星运动的广义相对论时延效应进行改正,卫星定位体系将彻底无法给出正确方位。

恭喜你,现已屡次成功参加了广义相对论的试验查验。

黑洞真的存在吗

1916年,广义相对论提出仅仅一年之后。

一个名叫卡尔史瓦西的德国地理学家,在第一次国际大战的前哨战地医院卧病时,写下一篇探究广义相对论的论文。

他给出了广稂怎样读义相对论中,描绘时空性质的“爱因斯坦场方程”的第一个准确解。他指出,关于任何物体,都有一个与其质量相对应的半径,假如将其悉数质量压缩到这个半径内,这些物质就将无止尽的向中心坠落,构成一个时空极点曲折的奇点。seldom

这个半径,后来被称作“史瓦西半径”任何物质,包括光,都无法从史瓦西半径内逃出。

假如这个极点难以幻想的预言也能得到证明,无疑将会是广义相对论的又一座丰碑。

一开端,地理学家不相信自然界能够发生那么细密的天体

1931年,印度裔地理学家钱德拉塞卡指出,小恒星演化的遗骸,也便是靠电子简并压保持存在的细密天体白矮星,一旦质量超越1.4倍太阳质量,就无法持续依托电子简并压而保持存在,必定持续坍缩为中子星。

1939年,美国理论物理学家奥本海默等人又指出,当中子星的质量超越某一极限(依据LIGO引力波观测的成果,这个极限现在被以为是2.17倍太阳质量),就连中子简并压也无法保持中子星的存在,超重的中子星也必定持续坍缩下去——并且好像没有什么力气能够再阻挠这种坍缩

国际好像有方法把物质压进史瓦西半径以内。

但“奇点”这个让物理学失效的当地,让一些理论物理学家寝食难安。惠勒一度质疑,构成奇点之后,原先的物质为何能够变成一个无物质的几许点。

跟着理论研讨的深化,物理学界逐步澄清疑虑,建立了对这种极点天体各项性质的一致。它也于1967年被惠勒正式命名为“黑洞”;但来自一些非干流科学家的贰言也一直存在,他们不断试图用黑洞之外的理论描绘细密天体的结局。

跟着干爸一系列直接地理观测依据的呈现,黑洞学说的现实根底逐步坚实起来:

1972年,美国地理学家运用探空火箭搭载的X射线探测器,发现了坐落天鹅座的一个强X射线源,天鹅座X-1。

发现天鹅座X-1时运用的空蜂(Aerobee)火箭结构示意图。

黑洞成为解说国际中强X射线源构成机制的一把钥匙。

假如黑洞这样的细密天体坐落一对密近双星中,它将掠食伴星的物质。来自伴星的物质在掉进黑洞的过程中,会构成一个旋进下落的“吸积盘”。

因为物质在吸积盘的不同半径处公转速度不同,相邻物质团块之间会发生剧烈冲突,使吸积盘到达极高的温度,然后释放出激烈的X射线。

正在蚕食伴星的黑洞吸积盘。

因为磁场的效果,吸积盘上的一部分物质会从垂直于康佳手机,黑洞你好:第一次拍到你前,我现已无数次描绘过你的姿势 | 抢手,poor盘面的方向上向两边被喷出。

黑洞的极点细密,让吸积盘物质坠落进黑洞之前,有时机把本身引力势能的很大份额转化成其他方式的能量释放出来。相比之下,核聚变的质能运用率只要1%左右,而黑洞吸积盘释放出的引力势能折组成质量,则相当于坠落物质总质量的30%以上。这既是吸积盘上极高温度啊爸爸的成因,也让吸积盘喷流得以加快到挨近光速。

因而除了X射线双星,许多迸宣布近光速喷流的星系中心,也被以为旅居有超大质量黑洞。

例如室女座星系团中心的大质量椭圆星系M87:

哈勃望远镜摄影的M87星系。

在这张图上,咱们只能看到一侧的喷流,是因为以挨近光速喷出的喷流具有激烈的相对论性多普勒集束效应——朝向咱们而来的物质显得显着更亮,违背咱们而去的物质显得极为昏暗。

但上面这些,归根到底仅仅直接依据。

LIGO发现双黑洞并合发生的引力波,能够视为黑洞的确存在的一个准直接依据——但究竟咱们仅仅“听”到了黑洞并合的时空涟漪——不亲眼“看”见,总仍是不太结壮。

因为黑洞吸积盘能够释放出强壮的辐射,星系中心大质量黑洞的存在与否还对星系演化有着极为要害的影响,能够说今世地理学对星系演化的了解,严峻依赖于的确存康佳手机,黑洞你好:第一次拍到你前,我现已无数次描绘过你的姿势 | 抢手,poor在星系中心超大质量黑洞这个假定。

假如终究竟然证明没有黑洞的话,现在的地理教科书就要悉数重写了。

给黑洞画张素描

黑洞假如的确存在,它看上去什么样?

你或许会说,《星际穿越》现已把答案泄了,长这样——

《星际穿越》剧照

这个答案,对一半,错一半。

在批判《星际穿越》小草莓哪里错了之前,让咱们一同看看,黑洞是怎样被看到的。

幻想一下咱们有一个能宣布抱负平行光的手电,以及四个小球:

一个黑体、一个具有抱负漫反射外表、一个具有抱负镜面反射外表,和一个黑洞。

当咱们用手电照耀这四个小球,并在与入射光线呈90角的方向私自调查,咱们将看到什么?

答案是这样:

对黑体,咱们什么都看不到,因为光全都被吸收了(尽管会以黑体辐射的方式放出来,可是假如温度不高,处于可见光波段的黑体辐射少到能够疏忽);

关于漫反射外表,咱们会看到它的一半被照亮了,就像上弦月那样;

关于镜面,咱们会看到凸起的球面上,构成一个小小的虚像。

关于黑洞,状况就杂乱一些:直接打到史瓦西半径里边的光,当然直接就掉进黑洞了;即便是略微靠外一些的光,也会被黑洞引力曲折,绕过一些视点之后落入黑洞;在间隔黑洞满足远处的某个当地,光线被黑洞引力偏折了90,拐向咱们的眼睛,这将答应咱们看到,黑洞左边,呈现一个光源的像;同理,也会有光线从另一侧,绕着黑洞转过270之后,拐向咱们的眼睛、构成另一个像,诸如此类,能够构成一系列像。

你或许找到一点感觉了。

那么再来一个问题:假如咱们站在手电背面,视野沿着入射方向看过去,又会看到什么?

答案是这样:

所以咱们终究看到的是2.6到2.67倍史瓦西半径之间一系列同心圆环——因为他们互相离的很近,总的来说咱们看到的是黑洞周围有一个环状亮晕,也能够说这是黑洞“反射”回来的光。惠勒从前指出,这种反射光乃至能够用来协助咱们发现闯入太阳邻近的黑洞——但只要当黑洞质量满足大(数十个太阳质量以上)、离太阳系满足近(几个光年以内),桐柏山太白迎风景区并且动用比现有光学望远镜大得多的设备去观测才干发现这种反射光。

知道了光线能够绕黑洞转圈,咱们能够开端考虑一个更挨近实在国际的状况:假如黑洞有一色戒2个薄吸积盘,咱们将看到怎样的现象?

没错,这正是《星际穿越》给咱们展现的现象:

因为咱们所在的观测点略微高于吸积盘盘面,吸积盘对咱们而言,有上、下外表之分。

咱们将看到,吸积盘上外表宣布的斜向上方的光,有一部分会被黑洞的引力拉回来,拉向咱们的视野方向,然后让咱们看到本来应该被黑洞遮挡掉的那部分吸积盘;

而本应该彻底被吸积盘本身遮挡的吸积盘下外表,其斜向下宣布的光也能够被黑洞拉回来,进入咱们的眼睛,让咱们能够一起看到一部分吸积盘的下外表。

当然,还有一些光线能够围着黑洞多绕几圈再出来,可是它们发生的像不如前两种显着,不再评论。

这便是《星际穿越》中为咱们描绘的大草帽形黑洞吸积盘的由来。

那为什么说《星际穿越》错了一半呢?

正如前文说到的,以挨近光速运动的物质将有激烈的多普勒集束效应——吸积盘的一边朝向咱们运动,另一边违背咱们运动,因而咱们应该看到,其一侧很亮、另一侧很暗。

也便是这样:

这是1979年,法国地理学家让-皮埃尔卢米涅运用一台运算才能只要10年前干流手机万分之一的晶体管核算机核算得到光强等高线图之后,依照等高线图的指示,亲自动手、用一个个墨点制造在一张照相纸上的图画。

这也是人类第一张运用核算机数值模仿得到的黑洞模仿图画——距今刚好40周年。

《星际穿越》的科学参谋、2017年诺贝尔奖得主基普索恩,从前给电影导演主张过选用考虑了集束效应的可视化计划——导演表明,观众会很困惑,所以依然选用了过错的画法。尽管《星际穿越》现已具有浅显著作中史上最佳的黑洞印象,但这个过错依然让物理学界的老爷子们感到遗憾。

1990年代,卢米涅的搭档让-阿兰马克为纪录片《无限曲折》制造了另一个富丽的黑洞可视化视频:

如前文所述,从准确性来说,这段视频超越《星际穿越》。并且这段视频乃至展现了进入黑洞之后回看视界面之外的现象,可谓无限留恋国际了。

这儿还有一段“视界面望远镜”团队博士生安德鲁切尔制造的黑洞吸积盘模仿动画:

那么,要怎样才干用望远镜,而非核算机,看到这样的现象呢?

给黑洞拍张相片

2000年,德国地理学家 Heino Falcke 对怎样观测黑洞视界面做了一番剖析:

首要,恒星级黑洞实在是乖戾太小:间隔咱们最近的一个恒星质量黑洞、X射线双星A0620-00,间隔3500光年,巨细40千米。这样其视直径只要万分之一个微角秒(10的-10次方角秒)数量级,远远超出了任何观测手法的才能。

前文现已说到,黑洞按质量能够分为两类:恒星级黑洞和星系中心的超大质量黑洞。后者的质量往往能够到达数百万到数十亿倍太阳质量。因为黑洞的史瓦西半径巨细与质量成正比,因而要直视超大质量黑洞,比恒星级黑洞要简单许多。

最简单想到的两个超大质量黑洞方针是银河系中心的康佳手机,黑洞你好:第一次拍到你前,我现已无数次描绘过你的姿势 | 抢手,poor半人马A*(Sg掠r A*)和室女座星系团中心星系M87中心的黑洞M87*。前者间隔大约26000光年,包括430万太阳质量;后者间隔5500万光年,大约60~70亿太阳质量。依照史瓦西半径公式能够核算出,前者直径约为2500万千米,后者约为360亿千米。

银河系中心黑洞的X射线伪五颜六色图画(钱德拉X射线望远镜摄影)

前文说到,黑洞“概括”(或许叫“影子”)的巨细大约是史瓦西半径的5.2倍,能够核算发现这两个超大质量黑洞的巨细均到达了50微角秒数量级——要分辩出其概括细节,相当于要在地球上看清月球上的一个苹果。

假如用光学望远镜,这需求口径达2千米的一个巨型望远镜。现在干流大型光学望远镜口径在10米左右,即便选用干与技能让几台光学望远镜“联网发电”,现在也只能做到100米左右的基线长度(等效口径)。

况且星系中心处在层层星际尘土遮挡之中,光学波段底子看不到。

而在波长更长的射电波段,尘土遮挡问题方便的解决了。

特别是90年代晚期的地理观测现已发现,银河系中心黑洞在1毫米多波利益有一个辐射峰值,这既阐明那里存在一个活泼的吸积盘,也提示咱们能够运用这一波段对其进行观测。

走运的是,这也正好是地球大气水汽吸收“光临”不到的一个毫米波观测窗口。

但假如运用1毫米左右的波长,所需的望远镜口径将到达5000千米以上——挨近地球半径

在这个尺度上把多台望远镜联合起来观测,现已不能只用“干与技能”来描绘——这叫做“甚长基线干与技能”。

Falcke的这个脑洞尽管开的跟地球相同大,仍是得到了地理学家同行们的服气。通过十几年的和谐,8台全球顶尖的毫米波望远镜参加了解析黑洞概括的队伍。

这便是今日的主角,视界面望远镜。

但要顺利完成对黑洞的“摄影”,还有许多困难要战胜

首要要把各家望远镜可用时刻和谐到一块黑色图片就不是易事,特别这其间还动用了阿塔卡马毫米亚毫米波阵列(ALMA)这样极度被地理学家渴求的国际尖端繁忙望远镜。

ALMA

况且在毫米波,地球大气的水汽十分影响观测,观测时不能有云。要让这些郑佩佩望远镜所在地一起晴天,难度堪比要一群人大合影时没人眨眼。

对坐落南极点的南极望远镜(SPT),工作人员每年只要一次进入和脱离的时机。这也增加了数据处理的难度:观测时,每天发生的数据量高达2PB,超越LHC一年的数据量。这些数据有必要装在硬盘上,对SPT来说,漫漫冬夜中得到的观测数据,不得不等候半年才干在南极的夏天运出。

南极望远镜(SPT)

终究,在2017年4月的4个观测夜,“事情视界望远镜”对银河系和M87中心黑洞进行了观测。通过两年的数据处理,咱们总算等到了文首的那张相片:

第一次获取黑洞视界面邻近区域的印象,是足以载入史册的成果。在振奋之余不要忘掉,M87中心黑洞仅仅视界面望远镜的两位主角之一。现在咱们更有理由等待,事情视界望远镜给银河系中心黑洞“摄影”的图画,会给咱们带来更多惊喜。

未来事情视界望远镜还有更多幻想空间:假如把望远镜放到太空、放到月球以取得更长的基线,假如选用更短的频率,视界面望远镜对黑洞吸积盘细节的分辩才能还将得到进一步提高;而假如长时刻接连观测,咱们还或许取得黑洞吸积盘的小动画……

真让人有些刻不容缓了呢。

作者:刘博洋

修改:steed

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果壳

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黑洞:今日你们都在看我吗?

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