当你掉进黑洞的最后一刻,你会看到什么?

内容简介:19年4月,天文学家发布了人类拍到的首颗黑洞的照片,但它依然是模糊的。一组科学家根据公式重新对其进行了模拟。并对光在黑洞周围的运动情况作了简单描述。

2019年4月,天文学家公布了一张在M87星系中心位置的超大质量黑洞的惊人照片。这是迄今为止拍摄到的最高分辨率的黑洞照片,它展示了一个奇异的、发光的、中心有一个黑点的模糊的物质环。其实这并不是黑洞真正的样子,从某种意义上说这是它的影子,因为黑洞周围不存在轨道稳定的大体积空间,甚至是光本身也无法逃离黑洞。

第一张关于超大质量黑洞事件视界的影像。这张照片显示了黑洞的轮廓,它的质量是太阳质量的65亿倍,位于距离地球5500万光年的M87星系中心。来源:NSF

为什么这张照片是模糊的呢?主要有两个原因。第一,尽管事件视界望远镜(因进行观测的阵列被命名)结合了世界各地望远镜的力量,但分辨率不够高,无法看到许多细节。从5500万光年远的地方进行观测,即使是一个大黑洞看起来也相当小。第二个原因是拍摄曝光时间长,所以任何像围绕黑洞旋转的气体团之类的特征都变得模糊。

假设有一张足够高分辨率的黑洞照片会是什么样子?

一个天文学家和物理学家组成的团队决定解答这个问题。他们利用爱因斯坦的广义相对论方程(这影响着黑洞附近的空间和光的行为),创建了一系列的图像来研究黑洞从外部观测是什么样子的。

这几张模拟M87星系中心黑洞扭曲其周围光线时的效果图。下面三张图:在不同时间点黑洞周围光线的快照。上图:所有快照的合成图,也就是事件视界望远镜在2019年拍摄到的历史性黑洞照片的“高清版”。来源: Johnson et al.。

天啦。这几张照片是什么意思?

下排的三幅图分别是三张通过模拟在真实黑洞中的物理特性生成的快照。举例来说,科学家们使用了62亿太阳质量,一个相对于M87星系与我们自身相匹配的视角,以及在一个叫吸积盘的平面盘中围绕它旋转的物质数量(通过对该物质的红外观测计算)。它的规模非常地小;50μas=50微秒,而1弧秒相当于5公里外的一个25美分的硬币大小。所以这差不多就是在这枚25美分的硬币上看到了细菌。

而上面的图片是把一系列快照组合起来的效果,这也展示了如果事件视界望远镜具有无限高的分辨率,在长曝光情况下拍摄到的黑洞照片的样子。你会看到了一个明亮的光环,有点不对称,一些光线来自内部,一些来自外部,以及在中心的黑色空隙。

这又意味着什么呢?

正如我在前文中所解释的,本文的中心是黑洞。事件视界是指我们到黑洞曲隔界线的距离,在这个曲隔界线上,黑洞的逃逸速度等于光速。一旦越过界限进入黑洞,你就不可能回来了。

但不是 “穿过去”那么简单。这个区域之外的空间仍然极度扭曲,所以如果一个光子飞过黑洞,它的路径就会被扭曲。扭曲的程度取决于它离的黑洞有多近。

这就是奇妙的地方。好吧,非常奇妙。

假设我们处于黑洞中心,距离黑洞越近的光子可能会扭曲得越严重,即使它本来没有朝我们的方向移动,黑洞也会改变它的轨迹,使这颗光子朝我们移动(科学家称之为n=0光子)。因为光子是从四面八方向黑洞进发的,所以形成外部分散且模糊的现象。

但在距离黑洞更近一些的光子会被黑洞扭曲180°(n=1个光子)从而形成一个更尖锐光锥。那些更靠近黑洞一些的光子,在朝向我们(n=2)之前已经绕着黑洞转了一圈,并形成了一个更尖锐,更小的光锥。以此类推,能够多次环绕黑洞运行的光子越来越少,黑洞周围有可能存在这些物质的区域会变得越来越薄,所以这些光子形成的光锥更尖锐。就这样,更稀薄的轨道上的光子形成的光锥变得越来越模糊和尖锐,所以你看不清楚它们。

所以每一个光子,从稍微弯曲,到弯曲更多,然后绕轨道运行一次,然后两次,就这样,最终形成了我们看到的图像。

我知道,这有点让人头疼。我可能提到过黑洞附近的一切会变得更奇妙。

我们有可能获得一个比上面的模拟图片更真实的黑洞的图像吗?实际上是可以的!有一种方法是向太空发射射电望远镜,扩大阵列的基线。你们的望远镜彼此距离越远,分辨率就越高。这种方法伴随的问题是射电望远镜必须很大,一般来说需要几十米宽(如果没有更多要求的话),要把这么大的东西送入太空并不容易。我不确定在未来的几十年里我们能否做到这一点?或许甚至可以在月球上建造一些,放在同样大小的陨石坑里,这些陨石坑是为了保持稳定性……如果可以,我们会得到与计算结果相当黑洞图像。

不过,在那之前,我们仍然可以用现有的设备进行研究,这些设备已经非常棒了。我们学到了很多如果你掉进黑洞会看到的东西。你不会看到它很长时间-当你靠近它的时候你会接近光速-你可能会忙着被重力和潮汐撕成碎片,被高能辐射炸成碎片。但这场黑洞冒险还是很酷。

作者: Phil Plait

FY: X-inG

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