打嗝呕吐跨越5千万光年 原来你是这样的黑洞！

黑咖啡

自人类开启宇宙探索以来，


我们所能了解到的地球之外的世界，越来越多，越来越广大，


我们惊讶地发现，在孕育和保护我们的地球家园之外，是一片无比冰冷和残酷的世界。


从时速300公里的木星大风暴，到相当于地球900米深海压力的金星大气压。


人类越来越多认识到，地球家园之外，是一片毁天灭地的残酷世界.....


然而，这些冰冷残酷的天体中，最让我们津津乐道的，莫过于一个我们从来都看不见，摸不着，却如同深渊幽灵一般的天体，它就是黑洞！


黑洞是一个奇异的天体，几乎每个人都能说出这个名字，也或多或少能讲出它的一两个特征，


难以想象的密度，无法探究的深邃，连光都无法逃脱的可怕引力…..


许多影视作品中对黑洞有着脑洞大开的奇思妙想，例如2015年的著名科幻片《星际穿越》，


就将黑洞的形象搬到了银屏上，片中表现的巨型黑洞“卡冈图亚”，是一个光子笼罩的球体，带着一圈环状的吸积盘的样子……





以至于人类在知道黑洞存在的那一刻起，就常常忍不住发问：


黑洞是什么？


黑洞怎么来的？


黑洞为什么能吞噬一切？


黑洞到底长成什么样子？


黑洞的里面究竟有什么？


……


人类对黑洞的探索从未止步，


在攻克了关于黑洞的一个又一个疑难之后，


一个持续多年的难题始终困扰着人类：


一直以来，黑洞都像一个深渊幽灵，它似乎无处不在，影响了无数天体的运动，却又无影无踪，永远停留在人们的推断，虚拟图像，以及各种间接证据中…


而我们究竟能直接观察到黑洞们么？


在这个旷世谜底揭晓之前，


让我们回顾一下人类为了“看清黑洞”，进行的长达100年的艰难跋涉....


早在1783年，英国地理学家约翰.米歇尔（John Michell），就提出了关于黑洞雏形的假设：


他认为，如果一个天体的密度大到一定程度，它将变成一个可怕的深渊巨口，吸入一切物体，连光都难以逃脱…..





1916年，爱因斯坦发表了相对论，在广义相对论中，他将引力解释为空间的弯曲，并在这个模型下预言了黑洞的存在，在他看来，黑洞是一种引力极大的天体，大到光线都难以逃脱。


而也就是在同一年，德国天文学家卡尔.史瓦西（Karl Schwarzschild）通过计算爱因斯坦的引力方程，发现了一个解，这个解表明：


如果大量物质密集集中在一点，会形成一个“可怕”的天体，这个天体宛如一个深渊巨口，拥有无比强大的引力，在引力的中心，连光都逃不掉。


当然，引力也有作用的范围，只有在这个范围之内的光才逃不掉。 这个界面，被称为事件视界（Event Horizon）。 于是，一个无比强大天体，第一次出现在了数学方程中…


到了1968年，美国物理学家约翰.惠勒（John Wheeler）第一次将这种科学预言中的天体命名为“黑洞”，


从那以后，“黑洞”这个名字开始在世界范围内广为流传，无论是否熟知天文学知识，地球上的人类或多或少都听过“黑洞”这个可怕的天体，它能吞噬一切，连光线都难以逃脱…


黑洞的电脑合成图





虽然无数物理学家都预言并肯定了“黑洞”的存在，


然而，100多年来，无数个“黑洞”始终像藏在宇宙角落里的幽灵，悄无声息地吞噬着星体，星系，光线….


地球上的人类，始终无法看到它们的真正面貌…


【为什么我们到现在都看不见黑洞？】


这其实，有两个原因。 一是因为，黑洞实在是….太小了。 二也是因为，连光本身都逃不出黑洞，又如何直接观测黑洞呢？


这第一点，还得从黑洞的形成说起。


宇宙中的恒星都是有寿命的，


只要是恒星，都会经历一场从诞生，成长，膨胀到最大，收缩，变小的过程...


大致如同一个气球被吹大，然后放气缩小的过程。


而有一些恒星，膨胀起来会特别巨大，在它们的燃料耗尽之后开始收缩，收缩之后又会特别小，


这样收缩的过程是如此极端和强烈，以至于收缩到了一定界限，恒星的内部发生了引力坍塌。 如果之前的恒星质量足够大（大约3-4个太阳质量），那这个恒信最后，就会坍缩成一个黑洞。


所以，本质上，黑洞就是一个收缩坍塌到极致的死亡后的恒星，它是一种密度无比巨大，体积又收缩得极小的天体…..


天文学家曾预言，自宇宙大爆炸的混沌时期，就形成了许许多多的黑洞，然而，它们无一例外地，作为天体来说，都小到令人发指….


小到什么程度呢？


即便超级巨大的黑洞，质量是太阳的数百万倍，体积也小到只有一丁点儿，美国亚利桑那大学的Dimitrios Psaltis教授曾这样描述：


“对目前来说，‘看上去’最大的黑洞，就是我们银河中心的那个。然而，以它的尺寸，我们从地球上拍这个黑洞，只相当于从地球上去拍月球表面放着的一个DVD光盘…”


正因为如此只小，以至于我们之前的望远镜，分辨率都不足以看清黑洞。 通俗点说，因为口径太小，所以放的不够大。


而除了尺寸小，光线的干扰也是一大糟心事，


从某个角度看，由于黑洞的引力巨大，会在黑洞周围形成一个堆满光亮物质的圆盘（圆盘里面光线不能逃逸，是事件视界）也会干扰望远镜的观察，


如同在夜晚的漫天烟花中，去找到一个小小的黑色无人机，谈何容易…..


电脑模拟黑洞及其“事件视界”





这样看起来，在过去有限的技术条件下，


即便用最好的望远镜，想直接“看到”一个黑洞，几乎是不可能任务。


【我们看不到黑洞，但是可以看到黑洞的“打嗝”】


在探索黑洞的过程中，美国宇航局NASA的钱德拉X射线天文台功不可没，


人类正是通过X射线，发现了黑洞存在的间接证据。


虽然黑洞一片“漆黑”，像个貔貅，大多数时候只进不出，但天文学家们很快发现一个关于黑洞的，令人惊喜的现象好在，即，它们吃下东西后，偶尔还会“打嗝”…..


把黑洞看成一个大吃货，当它吞噬周围的星体和其他物质时，会喷出大量的X射线，一些天文学家将这种现象戏称为黑洞“打嗝”。 而这些X射线，恰好是我们可以观测到的！


因此，当黑洞“打嗝”的时候，就是人们捕捉它的最佳时机，尽管这种时候并不多…


而钱德拉X射线天文台，作为专门设计用来观测X射线的太空天文台，仍然抓住了这些为数不多的时机，拍到了黑洞存在的间接证据。


天文学家曾用它监测到了2600万光年之外，两个星系合并产生的X光，天文学家们怀疑，这些X光线，就来自于那里的一个庞大的黑洞！


X射线光弧上的小白点便是疑似黑洞的位置





下面图片上那些紫红色的部分，是强烈的X射线源... 科学家认为，这正是因为这两个星系的碰撞，产生的各种黑洞...





除了X射线，黑洞还会发出波，钱德拉X射线天文台也曾接收到过英仙座星团同时发出的X射线和波，它们同样是黑洞存在的间接证据…..





之前，科学家们一直怀疑，银河系中心就有一个超级巨大的黑洞。 直到后来钱德拉X射线天文台同样接收到了来自来自银河系中心的X射线闪光，这同样间接证实人们的猜想。


来自银河中心疑似黑洞的X射线爆发








正是有了这样对X射线爆发的观测，


可以说，我们第一次“间接”的观测到了黑洞......


我们也以此找到了宇宙中很多可能存在黑洞的地方。


然而，


我们对黑洞的探索，不止于此。


【我们还能看出黑洞“吐”出的东西】


嗯，除了X射线，还有别的方式能观测到黑洞的存在，


因为，黑洞不但会“打嗝”（放X射线），还会“呕吐”…..


有时候，黑洞会如同“呕吐”一般，以惊人的光速喷发出一股巨大的，物质和能量的喷射流，


下面这张图，就是被哈勃太空望远镜和其他射电望远镜捕捉到，在武仙座(Hercules)星系的中心，发生过这么一次黑洞的“呕吐”喷射现象。


这不但间接证明了黑洞的存在，也像我们展示了黑洞难以想象的巨大破坏力…..





天文学家还曾拍到过距离我们1300万光年外的半人马座A (Centaurus A) 星系，中心黑洞喷发出的巨大喷射流，喷射流的长度甚至比这个星系本身的直径还要长…..





而下面的这张，是哈勃望远镜拍下的M87星系的核心...


核心向外面射出了一条长达5000光年的喷射流。


科学家认为，这核心中就包含一个超大质量的黑洞。





【我们还能看到黑洞“拉拽”其他星体的行为】


正因为有了之前的观测手段，我们找到了在宇宙中越来越多疑似存在黑洞的位置。


于是我们就可以对那些地方进行持续的观测，


看看黑洞究竟能对周围星体产生什么样的影响。


毕竟，


黑洞本身的引力也是人们难以忽略它们的可怕存在…..


下面的这个动图，是天文台对一个同一个天区进行了连续16年的观察。 把16年来这些天体的位置的变化合并成了一张动图... （相当于加速3200万倍）


我们可以看到，很多颗星星围绕着同一个地方进行旋转... 而那个环绕着的地方却“看”不到任何东西...


科学家认为，那里，就存在着一个黑洞...


正是黑洞巨大的引力，影响着这周边的星体。





一系列的间接观测证据向人类表明了黑洞的存在，除了看得见的东西，我们实际上还能“感受到”黑洞的活动….


根据爱因斯坦的广义相对论的推测，当两个引力巨大的黑洞相撞，会释放出庞大的引力波：


“当物质加速时，引力波变化产生，而当两个黑洞相互围绕做出旋转运动时，将带来周围的引力剧变！”


如同振动空气形成声波，引力巨大的黑洞碰撞，会让空间在一拉一伸中形成引力波的，这可以通过专门设计仪器探测到….


于是，14亿光年之外的两个黑洞，在14亿年前碰撞，它们释放的引力波在宇宙中穿越了14亿年，最终到达地球，并被激光干涉引力波天文台（LIGO）所观测到….


不过，


无论是黑洞“打嗝”，黑洞“呕吐”，恒星绕不明物体公转，引力波…..


所有的间接证据，都不如我们把黑洞真真切切看上一遍，然后说一句：“它就在那里！”来得更为理直气壮。


【这一次，我们要直接看黑洞】


多年过去，科学技术已经有了长足的进步，望远镜的分辨率也成倍提高。


然而，而要看清黑洞的事件视界，依然需要比哈勃望远镜的分辨率高出1000 倍以上…


如今，科学家可以利用单个望远镜实现黑洞周围恒星位置的测量，


然而，比起恒星，黑洞的尺寸依旧小得难以置信，


黑洞，对于今天的我们来说，依然太小了…..


然而，为了看清大黑洞，我们依旧想出了办法….


一个望远镜的分辨率不够，可以利用多个位于不同地方的望远镜，在同一时间进行联合观测，最后将数据进行相关性分析之后合并！


于是，一场横跨全球30多个国家通力合作，动用全世界8台望远镜，构筑了一个相当于地球直径口径的虚拟望远镜——“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope，EHT ）启动了！


这8台望远镜在几天里集中观测出的数据，又经过了2年的数据处理和相互验证。


终于，科学家们“拍”出了黑洞的第一张照片。 也就是今天公布的这张。


M87星系核心部分的黑洞照片。





这是人类第一张关于黑洞的真实图像！


我们发现，黑洞的中心，确实是光都逃不出来的黑的。


而黑洞的周边，确实聚集了大量明亮的物质的吸积盘... 而在黑洞和吸积盘中间的正是理论上预言存在的事件界面。


这张图，又一次证明了爱因斯坦广义相对论的正确。


因为之前科学家根据广义相对论的理论，推演出来黑洞的周边应该会是这样的一种景象。





（推测的效果图）


那么，如果拍出来的照片跟这个相差很大，那意味着广义相对论可能还存在缺陷。又或是意味着我们对黑洞还不够了解。


如果拍出的照片跟理论推断出的类似，那就意味着广义相对论又一次被验证，我们就可以进一步继续利用广义相对论而继续探索宇宙！


而今天公布的结果，虽然模糊，却依然满足着上面的推测。





无论如何，


这是我们在直接观测黑洞上成功走出的第一步。


未来，科学家还可以进一步优化望远镜的分辨率和灵敏度，


以后还可能会有更清晰的图片。


人类对于黑洞的了解，


从猜想，到间接观测黑洞释放出的X射线，观测黑洞喷出的射流，观测到黑洞碰撞的引力波，直到现在直接观测到黑洞的照片。


这，大概就是我们对宇宙探索的一种体现吧。


Ref：


https://www.vox.com/science-and-health/2018/1/8/16822272/black-hole-looks-like-what


https://eventhorizontelescope.org/


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沐梓伊森：就想知道质量如此惊人的黑洞中心的时间是不是停止的？[摊手]想去……


_红皮大西瓜：爱因斯坦，霍金真的是太伟大了


绵卷卷：仰观宇宙之大，俯察品类之盛


TanTianyu_JR：这个探索无限大的谜底的过程真的是无比浪漫


柠檬鲸本鲸：我们是第一批见证者哎，真幸运


鲁鲁修vi不列颠尼亚：看清了！是个甜甜圈！！

(来源：英国那些事儿
）