空间科学研究所—如何给黑洞拍照

空间科学研究所—如何给黑洞拍照

首页休闲益智影子战场黑洞更新时间:2024-05-11

越是神秘的事物,越能引发人们无限的遐想

就像黑洞

有关于其的话题

总能引来人们强烈的好奇心

而“如何给黑洞拍照”这个问题在普通大众心目中的地位

堪比玄学界

“如何在保持好身材的同时,又能比猪吃得还多”

妥妥的宇宙终极奥秘

人类首张黑洞照片

本着无(zhuāng)私(bī)奉(zhì)献(shàng)的伟(yī)大(guàn)精(yuán)神(zé),以及对个人极不具专业学术水准这一事实的盲目自信,某斗胆亲自跟诸位复盘下“宇宙终极奥秘——如何给黑洞拍照”。

在这里跟大家分享一下来自智利的天体物理学博士的科普漫画,去年有关于事件视界望远镜(EHT)观测黑洞的相关科普中,要数他做的相对最好(业内推荐及个人观点),同时兼具了兼具专业水准和设计美感。

我参考光头怪博士的翻译大致的优化了一下,请大家参考:

我们经常听到光不能从黑洞中逃逸的说法。事实上尽管黑洞不发光,但在它的周围会产生大量辐射。 正是由于有了这种辐射,我们才能研究它们。

黑洞会吸积周围的物质(包括气体),这些物质在向黑洞下落的过程中可以产生一个围绕着黑洞超高速旋转的“大圆盘” (吸积盘)。吸积盘上的物质由于在高速旋转的过程中与气体之间产生剧烈的“摩擦”,从而被加热到超过数百万开尔文的温度,产生各种辐射(光)。

所以尽管黑洞本身不发光,但它的周围依然有光存在,而它就像是被光线围绕的“影子”,我们只要找到这个被发光气体围绕着的“影子”就可以“看到”黑洞了。不过黑洞的大小一般很小。一个体量和地球差不多大的黑洞,其质量高达太阳质量的2150倍。我们银河系里的黑洞绝大多数都没有这么大,即便是超大质量黑洞,若想看清也得需要它离我们超级近才行。

幸运的是,几乎所有星系的中心都有超大质量的黑洞。比如我们的银河系中心的人马座 A*就是一个质量相当于太阳质量的400万倍的超大黑洞,其大小大约是太阳的2000倍左右。

那么为什么我们仍然看不到这些可怕的巨大黑洞?其中有一部分原因是由于在大多数波段上,辐射从银河系中心的黑洞附近传播到地球的漫长旅途中,会被各种粒子散射掉。

不过理论上来讲,我们依然可以通过某些诀窍从而降低这些散射对观测黑洞所带来的不利影响。通常更高频率的光更容易被吸收,从而不容易被散射。一个最佳的选择便是观测更高频率的光,而345GHz恰好是这样一个合适的频率。不过即便如此,我们还有最后一个问题要解决,那就是这个黑洞距离我们太远 (8千多的秒差距,大概2万7千多光年),看上去太小,基本等于去找月球上的一个橘子。这就需要我们用一架地球那么大的望远镜去分辨它。

信不信由你,这事还真叫天文学家办成了。如果能同时将全世界的射电望远镜都对准银心的黑洞,那么它们的观测能力相当于一架大小和地球相同的射电望远镜 (属于干涉阵列)。而事件视界望远镜 (EHT) 就是这么一个庞大的项目。天文学家利用这架“行星级望远镜”观测了银河系中心的超大质量黑洞和距离我们大约2千万秒差距的室女座星系团中心大质量椭圆星系M87中心的黑洞 (这个黑洞比银河系中心的要大得多)。

那么我们到底能看到什么呢?不要忘了,这些辐射来自于高速围绕着黑洞旋转的物质。现在,请想象一个向四面八方发出辐射的天体,若这个天体在以接近光速的速度高速运动的时候,那么从我们的角度看到的辐射就不再是均匀地发散到各个方向了,而是向着运动的方向集中。黑洞周围是有一个高速围绕其旋转的“盘子”的,故此便会有一部分物质是高速向着我们视线方向运动的。

朝向我们发射的辐射会显得更亮一些,所以我们预期会看到一个不对称的图像。不仅如此,运动产生的多普勒效应还会导致辐射能量在不同方向上的差别。最后,由于黑洞强大的引力使得光线的传播路径产生弯折,所以我们实际上甚至可以看到来自黑洞背面的吸积盘的辐射。

最终我们通过事件视界望远镜看到的图像也许不会这么清晰,有这么多的细节,但依然不能否定其作为人类文明第一次真正意义上“看到”一个大质量黑洞的重要价值,我们依然能从中获得更多的新知识。

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