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        用中學生能懂的語言講黑洞背后的科學:眾妙之門

        2019-05-14  lindan9997

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        M87黑洞(來源:EHT)

        這張圖展示的是室女座星系團中的大質量星系M87中心的黑洞。來自全球的超過200位科學家參與其中,耗時十六年,終于還原了黑洞的真實面目。

        什么是黑洞?黑洞是怎么拍攝的?我們特別邀請了加州州立大學舊金山分校物理與天文系終身教授滿威寧給大家帶來今天的"眾妙之門"。

        什么是黑洞?

        首先黑洞并不是一個洞,而是當一個天體的萬有引力強大到連附近的光都沒有辦法逃出去,它就成為了黑洞。

        我們都熟悉牛頓和蘋果的故事:牛頓在思考蘋果為什么會掉落時發現了萬有引力,也就是任何兩個物體之間都存在互相吸引的萬有引力。月亮一直繞著地球轉,而地球一直繞著太陽轉,都是因為萬有引力。

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        牛頓和蘋果的故事(來源:谷歌圖片)

        我們生活中的經驗是,扔出去的東西總會掉下來,那也是因為地球對這些東西都有很強的吸引力。那么能不能讓扔出去的東西不掉下來呢?倒真的可以,如果速度足夠快的話——我們的高鐵大概是100米每秒,也就是說比高鐵大概快八十倍,如果發射東西的速度達到每秒鐘接近8000米,就可以讓它像衛星那樣圍繞著地球旋轉不掉下來。如果速度更快,達到11000多米每秒,就可以徹底逃脫地球的引力。再快的話,從地球出發,發射速度達到1.67萬米每秒,也就是說16.7公里每秒,就可以逃離太陽系了。

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        宇宙速度示意圖(來源:《十萬個為什么》)

        總而言之,天體的質量越大,引力就越大,周圍的物質就越難逃出它的引力束縛,需要很快的速度才能夠逃出去。而宇宙間最快的速度是在真空中的光或者電磁波傳播的速度,約為30萬公里每秒,也就是說每秒鐘能夠繞地球7.5圈,這是我們這個宇宙中傳遞物質或者信息的速度極限。

        廣義相對論預言能存在引力效果強大到連光速都逃不出的天體,附近的光會被它吞噬,所以上世紀60年代普林斯頓的理論物理學家John Wheeler給它們命名為“黑洞”。

        黑洞長什么樣?

        黑洞的中間有一定的范圍,這是連光都逃不出來的范圍,我們把它叫做視界。在黑洞視界附近的其他物質也都被黑洞的引力吞噬,形成快速旋轉的漩渦,被吸入黑洞,這部分叫做吸積盤。吸積盤由于釋放引力能量和快速旋轉摩擦以及磁能產生巨大的高溫,釋放出光和熱,也就是電磁波。

        由于萬有引力的強度是隨著距離的增加而快速減弱的,吸積盤外圍的引力能夠吞噬別的物體卻無法阻擋電磁波的逃逸了。另外,由于吸積盤表面的磁場沿著黑洞自轉軸的方向會發生扭曲,所以吸積盤會向外發射大量的高速粒子流,形成一種垂直于吸積盤方向的噴流。

        現在發現的黑洞主要有兩種尺寸,有一種小一點,是恒星的尺度,大概是太陽質量的幾倍到幾十倍。恒星尺度的黑洞一般是在恒星慢慢燃盡死亡的過程中,最終塌縮形成。

        而另外一種黑洞就是超大尺寸的,他們有百萬個太陽甚至幾百億個太陽那么大,這樣超大尺度的黑洞一般存在于星系的中心,比如我們銀河系的中心也有一個很大的黑洞,科學家們也正在拍攝它的照片。

        這次拍攝的黑洞在哪?

        首先大家別擔心,這個黑洞距離我們非常遠,有5000多萬光年。它的質量是太陽的65億倍,也就是說它所含的物質接近銀河系的1%,實在是太大了。

        5000多萬光年是什么概念?我們浩瀚的銀河系的直徑大概是16萬光年,包含著幾千億顆恒星,而這個黑洞與我們的距離有300多個銀河系連起來那么遠。

        室女座星系團在室女座的方向,其中包含M87巨型橢圓星系,這個星系中心的黑洞是這次拍攝的對象。室女座就是大家通常說的處女座,是銀河系內距離我們幾百至幾千光年的一些恒星組成的星座。而室女座星系團比室女座要遠得多,距離我們有五六千萬光年。

        光年不是時間單位,而是長度單位。它指的是光或者電磁波在真空中花一年的時間所走的距離。真空中的光速是30萬公里每秒。我們地球到太陽的距離,光需要走8.3分鐘,而太陽光到達海王星要花四個小時的時間。如果是橫穿銀河系,光要走上16萬年才行。

        那么我們這次給黑洞拍照,所拍攝到的電磁波信號,最快也要5000多萬年才能夠到達地球。

        換句話說,我們接收到的是5000多萬年以前從黑洞的吸積盤發射出來的電磁波,拍到的是5000多萬年以前的它的樣子。那個時候地球上的恐龍才滅絕不久,哺乳動物才剛剛開始興起,印度次大陸和歐亞大陸還沒有相撞,喜馬拉雅山也都還不存在呢!

        為什么拍這么遠的黑洞?

        最主要的原因還是因為它盡管很遠,但是很大。最后大家在照片里看到的黑色陰影區域,比好幾個太陽系加起來都大。從下圖中可以看到,這個黑洞的陰影區域與太陽系(冥王星軌道)尺寸的比較。圖中Voyager 1表示的是1977年發射的旅行者一號(最遠的人造飛行器)現在相對太陽的位置。注意黑色陰影區域是真正黑洞大小的(27/4)1/2,約2.6倍。

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        M87 中心的超大黑洞和太陽系大小的比較

        一個天體的直徑除以它到地球的距離,是它對我們張開的角度,這個張角決定了它看起來的大小。其實人類這一次拍攝有兩個候選黑洞,一個是M87星系中心的超大黑洞,另外一個就是我們銀河系中心的超大黑洞。銀河系中心的那個黑洞比起這個M87黑洞距離要近2000倍,尺寸也小1500倍,所以張角是差不多的。它們看起來有多小呢?就好像我們從地球上去看月球表面上的一個橙子那么小,所以要拍攝它們是相當困難的。可是人類發現的別的距離地球更近的黑洞質量更小,吸積盤的尺寸也更小,更難拍。

        另外這個M87黑洞的吸積盤的中心軸比較正對著地球。這是從哈勃望遠鏡曾經拍攝到的它的噴流判斷的。而且這個黑洞特別地活躍,來自吸積盤的電磁波信號特別地強,所以比銀河系中心那個黑洞更好拍。

        為什么要給黑洞拍照?

        人類第一張黑洞的照片有什么重要的意義呢?這是一個非常深刻的問題,我們不妨在這個問題上稍微多花一點時間。

        廣義相對論

        牛頓發現了萬有引力的存在,可以很好地解釋天體的運行規律。可是一直以來人們并不知道為什么會有萬有引力?萬有引力的大小又為什么與天體的質量的乘積成正比,與天體之間距離的平方成反比?

        1915年,愛因斯坦提出廣義相對論,對萬有引力做了解釋: 萬有引力的本質原因是質量會扭曲周圍的時間空間。在很大質量的物體周圍,時空扭曲比較明顯,就會表現出較大的吸引其他物體的引力。

        廣義相對論的提出顛覆了全人類對時間和空間的認知。從前人們認為宇宙間的物質僅僅是時間和空間舞臺上的參與者,而實際上宇宙間的物質也是時間和空間的構造師。

        引用普林斯頓大學教授John Wheeler的總結,廣義相對論的精髓是“時空決定物質如何運動,而物質決定時空如何彎曲”。

        廣義相對論在1919年就被證實了——在日全食的時候,觀測到的星光會被太陽的引力所彎折(可以理解為扭曲了時空本身)。此后,時空被質量龐大的天體所扭曲,這一現象有了廣泛的應用。比如說引力透鏡,就是在遙遠星系的光源和我們之間如果有龐大的天體彎折了光線,我們看到的星系就好像是通過光學透鏡看到的效果。通過分析到達地球的光一路的彎折情況,人們就可以分析宇宙間的質量分布,哪里有超強的引力彎折效果,就代表哪里有龐大的質量。特別是對于宇宙間大量不參與電磁相互作用,沒有任何光或者電磁波的暗物質,通過引力來探測它們是目前最重要的方法。(順便說一句,我們平時說的可見光是電磁波的一種。)

        黑洞:從預言到觀測、證實

        通過廣義相對論,德國物理學家天文學家Karl Schwarzschild和新西蘭數學家Roy Patrick Kerr早就預言了黑洞的存在,人們也曾經間接地觀測到了黑洞的存在。比如觀察星體和物質圍繞黑洞的運動情況——龐大的銀河系也是圍繞著銀河中心的黑洞在不斷旋轉的,通過觀察圍繞黑洞運動的星體和其他物質,人們可以估算出黑洞的質量以及尺寸等信息。

        另外,在物體被黑洞吞噬之前,因為釋放出強大的引力能量以及摩擦產生極高的溫度,吸積盤可能發射出不尋常的伽馬射線,還有垂直吸積盤可能噴發出的噴流等等,這些都曾被探測到。

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        黑洞的超強引力會引起很多新的物理現象。我們銀河系中心的黑洞有400萬太陽質量那么大。有人懷疑是它產生了兩個伽馬射線大泡泡。

        可是人們畢竟從來沒有真正看到過黑洞本身到底是什么樣子。

        從三年前,科學家宣布發現了引力波,到現在已經有了至少5次成功的引力波觀測記錄。第一次發現的引力波來自于兩個幾十個太陽質量的黑洞的碰撞和融合,人類探測到這個引力波,就像是聽到了一次黑洞相撞的聲音。

        而直接拍攝到來自黑洞周圍吸積盤的電磁波,就好比是第一次真的看到黑洞的樣子,它的一個重要的意義就是又一次證實了廣義相對論。其所拍到的具體圖像雖然模糊,但圖像的環狀和不對稱月牙形都已經體現出了符合廣義相對論的預測。

        了解黑洞和星系演化

        除此之外,對黑洞的拍攝可以幫助我們精確地了解黑洞的尺寸和質量,了解黑洞周圍吸積盤的形成和運動,了解黑洞的演變。由于小尺寸黑洞的形成往往是來自于恒星的死亡和塌縮,超大質量黑洞也往往存在于星系的中心,所以對黑洞的拍攝和研究,也可以幫助我們去了解星系的演化等等。

        黑洞照片是怎么拍的?

        這應該是大家都好奇的問題。黑洞不是連光都吞噬掉了嗎?那是怎么拍到黑洞的呢?我們不妨把這個問題分成幾個部分,我們拍哪里?拍什么信號?用什么東西拍?

        大家都知道這張黑洞照片是由事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)拍攝獲得的。這是從2006年就開始的一個大項目,組織了200多人參與,目標就是觀測星系中央超大質量黑洞。

        這個“視界“就是黑洞附近光都不能逃出的大致位置范圍,視界的周圍有一圈龐大的發光發熱的飛速旋轉的吸積盤,簡單地說,我們是接收高速旋轉的吸積盤發出的電磁波來拍攝吸積盤以及中間的視界陰影。視界陰影的直徑是實際黑洞的2.6倍。

        我們拍的是什么信號?

        平時我們拍照的時候都是用我們眼睛所能夠看得見的可見光,但是在一個黑漆漆的夜晚,如果沒有光源,眼睛什么都看不見,就可以用紅外線攝像頭來捕捉紅外線信號。

        你和我雖然不發光,但是你我的體溫比周圍的環境溫度要高,比環境物品發出更多的紅外線。甚至包括我們打的噴嚏放的屁,在這樣紅外線攝像頭的記錄下都無所遁形,溫度越高,紅外線越強。

        來自吸積盤的電磁波除了紅外線、可見光、紫外線、伽瑪射線,還有不同波長的無線電波,射電望遠鏡能接收的毫米波段可以相對無障礙地通過我們的大氣層,所以這次拍攝的信號是去搜集來自這個黑洞周圍吸積盤發出的,波長大約在一毫米的無線電波信號。

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        電磁波光譜圖(來源:Science Varia)

        顯然這些被拍攝到的信號不是紅色或者黃色的光,我們看到照片里的紅色和黃色只是表示不同位置拍攝到毫米波信號的強和弱。我們的眼睛是看不到紅外線的,但紅外線照片可以把信號轉成黑白圖片,白的位置代表信號強,黑的代表信號弱。

        為了讓我們視覺上看得更清楚,也可以用不同的色彩來表示信號的強弱,并不是說真的拍到了有色光的照片。

        用什么設備拍黑洞?

        剛才我們提到可以接收這些毫米波的射電望遠鏡不是單獨一個,而是八組射電望遠鏡,分布在智利、夏威夷、南極洲、亞利桑那、西班牙和墨西哥。其中包括位于南極洲的直徑十米的南極射電望遠鏡,以及位于智利和夏威夷的兩個大型射電望遠鏡陣列。

        他們加在一起同步拍攝,利用一種叫做甚長基線干涉儀的技術(Very Long Baseline Interferometry),讓這些跨越半個地球的射電望遠鏡組合起來,達到一個直徑相當于地球尺寸的超大望遠鏡的效果。望遠鏡的角分辨率大約等于波長除以有效直徑。有效直徑越大,就能夠分辨張角越小的天體。

        他們靠原子鐘來完成同步時間,用波的干涉原理來處理數據,終于完成了看似不可能的任務:去拍攝一個看起來像月球上放了一個橙子,那么小的一個點。

        中國參與拍攝黑洞了嗎?

        其實中國的科學家和射電望遠鏡在前期定位M87拍攝計劃的時候是有貢獻的。但是中國的射電望遠鏡沒有直接參與這一次的八組射電望遠鏡組合有兩個原因。

        首先,中國在東半球。當那八個望遠鏡所在的地方對著那個黑洞的時候,中國在地球的背面,沒辦法同步觀測。

        另外,中國的大型射電望遠鏡,比如貴州天眼,接收的電磁波的波長,與這次同步黑洞拍攝所用的毫米波的波長也略有差別。

        為什么黑洞照片如此模糊?

        歸根結底就是因為實在是太小了,相當于用有效直徑達到地球這么大的望遠鏡,放大倍數如此之大仍然只能拍到有限的少量像素點。

        地球只有這么大,這項技術是不是到這里就到頭了呢?

        實際上用多個射電望遠鏡組合起來進行干涉的超長基線干涉儀系統,是可以借助被發射到空中的射電望遠鏡一起來工作的。那樣就可以得到有效直徑比地球尺寸更大的望遠鏡,可以拍得更清楚,也可以拍更小的天體。

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        有效直徑比地球更大的望遠鏡系統示意圖(來源:知乎)

        為什么黑洞照片需要用兩年時間才洗出來?

        所謂的洗出來就是從拍攝的大量的數據當中,找到有用的信號,還原出被拍攝物體上每個位置的電磁波信號強度,生成出這張照片。

        之所以這么慢,首先是因為從八個觀測點的射電望遠鏡連續五天所觀測到的數據太多了,一共用了半噸的硬盤,如此龐大的數據,要用大量的時間來處理。

        其次,八個觀測點的數據綜合起來,用干涉的辦法去還原波源的信息,需要非常復雜的算法。最大的挑戰在于精準的校對同一個信號到達不同位置的時間差,然后綜合不同望遠鏡的位置信息,信號的強度以及時間差,推出電磁波的強度和位置。

        而且這半噸的硬盤數據里不僅僅是黑洞吸積盤的信號,還包括天空中各種各樣復雜凌亂的噪音數據,都需要被小心地鑒別剔除。

        另外為了避免人為錯誤造成的誤差,后期處理的時候是由兩組團隊分別進行,然后再把結果拿到一起校對,才能減少因人為錯誤對最終結果造成的影響。于是花了兩年,終于在2019年的4月公布了第一張人類所拍攝的黑洞照片。

        滿教授的寄語

        一場轟轟烈烈的、刷爆朋友圈的見證人類首張黑洞照片問世的事件已經落幕了。希望我們的聽眾朋友不僅僅是趕了一次時髦,看了一次熱鬧,而是能夠一直不停地去學習下去,思考下去。

        今天我給大家講的這些內容,有很多也是我的一些具有基本專業背景的人問過我的問題,在去回答這些問題的時候,我也思考和學到了很多。

        希望大家在驚嘆于人類科技各種不可思議的偉大成就的同時,并不把這一切都當做理所當然,而是保持好奇心,一直去發問、去思考,甚至包括去質疑。

        不僅知道什么東西叫什么名字,更重要的是理解什么東西為什么。

        你想想,在一兩千年以前人類還在刀耕火種。340年以前,瓦特才發明了蒸汽機,萊特兄弟的第一架飛機是1903年才發明的,而第一部手機的發明是1973年,也就是不到50年以前。

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        人類科技發展曲線圖(來源:M.Hilbert)

        我們處在科技前所未有的加速飛速發展時期。人類科學技術在幾十年甚至十幾年里取得的進步,遠遠大于曾經幾十萬年漫長的進化結果,從人類第一次有了電,有了機器,人類最開始有了激光,有了計算機,有了互聯網,一個相對來說比較短暫的時間里,在宇宙中如此渺小的人類創造出了很多的奇跡,為的是去窺探如此宏大如此遙遠的宇宙。

        未來的幾十年,科技又會發展成什么樣呢?僅僅滿足于前人告訴你的書本上的知識,將會是遠遠不夠的,我們要有能力一直學習和思考。

        我們每一個人相對于地球來說是那么的渺小,我們的地球相對于宇宙來說更加是微不足道。但是愛好科學還有天文,能讓我們擁抱如此了不起的宇宙。

        吾生也有涯,而知無涯。

        讓我們每個人一邊意識到自己的微不足道,一邊著眼于廣袤的世界,去見證人類文明的每一次輝煌,甚至去親自參與締造。你也可以的!

        - 答讀者問 -

        為什么哈勃望遠鏡拍到的星系大多是扁扁的(橢圓的),而第一次拍到的黑洞照片,就是“圓”的,比較正對著地球?

        是的,星系都有自轉,通常都是盤狀的,盤面垂直于自轉軸。所以從任意角度觀察一個星系,大概率看起來是橢圓的(扁的),只有剛好從正面看,星系才不是扁的。

        而從哈勃望遠鏡拍到的M87黑洞的噴流照片可以看出,M87的噴流方向比較正對著哈勃望遠鏡,也就是說這個黑洞的吸積盤盤面確實比較正對著地球。這是這個黑洞比較容易被發現和被拍攝的原因之一。

        值得注意的是,因為黑洞強大的引力,即使從黑洞吸積盤側面去看也不是橢圓的,或者薄薄的盤沿。

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        如上圖所示,圖中紅色部分代表黑洞的吸積盤。如果觀測和拍攝的方向是斜著側對著黑洞的吸積盤(右側灰色線段代表信號接收器),由于黑洞強大的引力彎折效應,吸積盤上方和下方的電磁波(光線)都可以被大幅度彎折,而到達右側的接收器。所以側面接收器接收到的圖像(由右圖顯示)不是一個薄薄的吸積盤盤沿,而是在視界陰影上下很大范圍內都有信號,其顯示的形狀和尺寸由黑洞的引力(時空彎折效應)分布決定。

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