美哭!来自NASA的黑洞新影像

美哭!来自NASA的黑洞新影像

当黑洞事件视界的第一张直接影像发布时,人们为这一科学创造力及这一丰功伟绩惊叹不已。虽然最终呈现的图像分辨率相对较低,但得到它历经了无数艰辛。

图片来源:NASA戈德达航天中心杰里米·施尼特曼(Jeremy Schnittman)

随着技术和工艺的完善,未来的黑洞直接影像将日渐精良。NASA为庆祝其“黑洞周”而制作的高分辨率新可视化图像向我们展示了一个正活跃地吸积的超大质量黑洞,这或许正是我们期待看到的。

超大质量的黑洞位于大多数大型星系的中心。至于它们是如何到达那里的,我们一无所知;是先有黑洞还是先有星系,仍是宇宙学中的一大谜。

我们只知道超大质量黑洞的确很大,是太阳质量的百万倍甚至数十亿倍;它们可以控制恒星的形成;当它们苏醒并开始吞噬,它们可以成为宇宙中最明亮的物体。几十年来,我们还弄清了它们的某些怪异动态。

在巨大椭圆星系M87核心的超大质量黑洞质量大约是太阳70亿倍,如事件视界望远镜发布的第一张图片(2019年4月10日)所示。可见眉月形的光环和中心的阴影,这是在黑洞的事件视界光环和光子捕获区引力的放大视觉影像。眉月形肇因于黑洞的自转和相对论放射现象;阴影直径大约是事件视界直径的2.6倍。

事实上,1978年,法国天体物理学家让·皮埃尔·卢米涅(Jean-Pierre Luminet)借助20世纪60年代的一台洞卡计算机IBM 7040和手绘制作出了黑洞的第一张模拟图,让·皮埃尔·卢米涅的模拟图与NASA的模拟图像看起来仍极为相似。

在两个模拟图中(上面的是新的模拟图,下面的是卢米涅做的图),您能看到中间的一个黑色圆圈。那就是事件视界,在该点,电磁辐射(光,无线电波,X射线等)无法达到逃离黑洞引力的速度而无力逃脱。

图片来源:让·皮埃尔·卢米涅

横穿黑洞中间的是围绕黑洞旋转的物质圆盘的前部,就像水排入排水沟一样。它通过摩擦产生强烈的辐射,我们可以用望远镜探测到这一部分——这就是您在M87*的图像中看到的。

您可以看到光子环,这是事件视界周围的完美光环。您还可以看到黑洞周围有一大片光。这光实际上是从黑洞后面的吸积盘部分发出来的;但是引力是如此之强,即使在事件视界之外,它也会扭曲时空并弯曲黑洞周围的光路。

您还可以看到吸积盘的一侧比另一侧更亮。这种效应称为相对论性射束,它是由圆盘旋转引起的。朝我们移动的圆盘部分更亮,因为它的速度接近光速。这种移动使光的波长频率发生变化。这就是多普勒效应。

这种移动具有相反的效果,因此,远离我们的那一侧是暗淡的。

模拟大麦哲伦云前方有黑洞的影像图。请注意重力透镜效应产生两个高度扭曲的星云图像。在顶端出现被扭曲成弧形的银河盘面

卢米涅(Luminet)2018年在一篇论文中写道:“这种明显的光度不对称性正是黑洞的主要特征,黑洞是唯一能够使吸积盘内部区域的旋转速度接近光速,从而产生非常强的多普勒效应的天体。”

这样的模拟图像可以帮助我们了解超大质量黑洞周围的极端物理现象,并且在我们观察M87 *图像时,能帮助我们理解该图中的事物。

相关知识

黑洞(英语:black hole)是时空展现出引力的加速度极端强大,以至于没有粒子,甚至电磁辐射,像是光都无法逃逸的区域。广义相对论预测,足够紧密的质量可以扭曲时空,形成黑洞;不可能从该区域逃离的边界称为事件视界 (英语:event horizon)。虽然,事件视界对穿越它的物体的命运和情况有巨大影响,但对该地区的观测似乎未能探测到任何特征。

图解:艺术家笔下的黑洞。

在许多方面,黑洞就像一个理想的黑体,它不反光。此外,弯曲时空中的量子场论预测,事件视界发出的霍金辐射,如同黑体的光谱一样,可以用来测量与质量反比的温度。在恒星质量的黑洞,这种温度高达数十亿K,因此基本上无法观测。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. MICHELLE STARR-柒月未央

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