黑洞 照片 解读 ！为什么 是 模糊 的 ？为什么 没有 中国 的FAST？
妈咪 说 知识 就是 力量 大家 好 我 是 妈咪 叔
相信 昨天 很多 人 都 见证 历史 了 吧
人类 历史 上 第一张 黑洞 照片 终于 公布 了
今天 咱们 加 一期 视频
准备 以 问答 的 形式 做 一个 基础性 的 科普
我 收集 了 一些 大家 的 问题 下面 为 大家 解答 一下
首先 第一个 问题 照片 中 的 黑洞 来自 哪 ？
大家 看到 的 这张 黑洞 照片 并 不是
上期 视频 中 妈咪 叔 预言 的 那 张
2017 年 事件 视界 望远镜 简称 EHT
其实 它 选定 过 了 两个 黑洞 作为 拍摄 目标
一个 是 我们 银河系 中心 的 黑洞 人马座 A*
距离 我们 2.6 万光年
质量 大概 是 400-450 万个 太阳 质量
另外 一个 候选 黑洞 是
位于 室女座 方向 上 的 M87 星系 中心 的 黑洞
就是 M87*
它 的 质量 是 65 亿个 太阳 质量
但是 距离 我们 大概 5500 万光年
也 就是 光走 过来 要 5500 万年
这 两个 黑洞 都 算是 超大 质量 黑洞 了
这次 公布 的 黑洞 照片 就是 M87*
所以 理论 上 你 看到 的 是 它 5500 万年前 的 样子
照片 中 黑色 的 中心 就是 黑洞 的 阴影
周围 的 红色 的 光环 就是 吸积 盘 辐射 的 光线
第二个 问题
为什么 银河系 中心 黑洞 离 我们 更近
却 不 公布 人马座 A* 的 照片 呢 ？
其实 这 两个 黑洞 在 视角 上 大小 差不多 反正 都 很小
M87* 会 更 小 一些
但是 由于 我们 并 不能 直接 观测 到 黑洞 本身
只能 通过 黑洞 引起 的 一些 现象 间接 去 观测 黑洞
就 比如 黑洞 视界 外围 形成 的 吸积 盘 或者 喷流 现象
通过 这些 来 观测
M87* 整体 上 就 比较 活跃
因为 它 质量 更大嘛
所以 现象 就 更加 明显
这样 对于 数据 的 成像 效果 就 比较 好
而 银河系 中心 的 人马座 A* 相对来说 就 没有 M87* 活跃
还有 一个 原因 就是 我们 是 处在 银河系 银盘 上 的
所以 银河系 中心 的 黑洞 虽然 更近
但是 辐射 过来 的 光线 也 更 容易 受到 星际 气体 而 散射
气体 对光 的 散射 还是 比较 强 的
所以 这点 上 M87 就 更加 优越 了
因为 M87 星系 整体 上 包含 的 气体 很少
干扰 就 会 很少
第三个 问题 它 为什么 长 这样 ？
关于 黑洞 的 历史性 介绍 还有 基础知识
大家 可以 去 看 我 上 一个 视频
我 默认 大家 已经 看过 了 哈 就 不再 重复 了
这里 可能 大家 有个 误区
就是说 照片 中 黑色 的 区域 就是 黑洞 的 事件 视界 吧 ？
其实 还 不是
黑色 的 中心 是 黑洞 的 阴影
我们 说 的 事件 视界 是 理论 上 计算出来 的 数值
对于 静止 黑洞 就 等同于 史瓦西 半径
也就是说 在 史瓦西 半径 处 的 逃逸速度 需要 达到 光速
所以 只要 进入 到视 界面 就 连光 也 逃脱 不了 了
就 会 瞬间 吸入 到 奇点 里
但是 往往 在 不同 领域 对于 视界 的 定义 是 不同 的
也就是说 并不一定
在 史瓦西 半径 以外 的 物质 你 就 能 看见
所谓 吸积 盘 是 什么 呢
就是 黑洞 周围 的 一些 气体 物质
它们 是 有 质量 的
首先 有 质量 逃逸速度 就 不 可能 达到 光速
所以 对于 这些 气体 来说 它们 的 视界 就 会 比 史瓦西 半径 要 大
大概 在 5 倍 史瓦西 半径 左右
对于 旋转 的 克尔 黑洞 来说 会 稍稍 小 一点
就是 这些 气体 进入 5 倍 史瓦西 半径 也 别 想 出来 了
而 对于 平行 光 来说 也 会 有 一个 区域
会 恰好 使 光线 围绕 着 黑洞 旋转
就是 我 也 不会 被吸入 到 奇点
但是 我 也 跑不了 了
就 像 地球 的 卫星 一样 一直 转
它 不会 落到 地球 上来
这个 距离 大概 在 2.5 倍 史瓦西 半径 左右
理论 上 这个 距离 以内 的 光 我们 也 看不见
而 超过 这个 区域 的 光子 虽然 可以 逃离 黑洞
但是 由于 强 引力 带来 的 引力 红移 效应
整体 的 亮度 就 会 很 低
这样 就 相当于 是 在 黑洞 周围 形成 了 一个 阴影 区域
就是 我们 看到 的 照片 中 的 黑色 区域
实际上 它 就是 5 倍 左右 的 史瓦西 半径
就是 真实 的 黑洞 半径 比 黑色 中心 要 小
具体 看到 的 数值 还 与 黑洞 的 自旋 包括 观测 方向 都 有关
而 吸积 盘 为什么 会 发光 呢 ？
就是 因为 黑洞 的 引力 太大 了
周围 的 时空 被 高度 弯曲
这些 附近 的 气体 就 会 被 黑洞 吸引
就 像 黑洞 吃 东西 一样
在 吸引 的 过程 中 引力 势能 就 会 转化成 动能 还有 光和热
吸积 盘 是 高速旋转 的
速度 可以 达到 接近 光速
温度 达到 数十 亿度
正是 因为 这么 高 的 温度
我们 才能 远距离 的 拍摄 到 吸积 盘 的 辐射
第四个 问题 为什么 这张 黑洞 照片 很 模糊 ？
这个 问题 其实 通俗 理解 就是 大家 说 的 分 比率 不够
或者说 这个 黑洞 在 我们 的 视角 里 太小 了
其实 应该 说 是 角 分辨率
银河系 中心 的 人马座 A*
它 的 黑洞 阴影 的 角 直径 在 47-50 微角 秒左右
而 M87* 黑洞 阴影 的 角 直径 为 37-40 微角 秒
什么 意思 呢 ？
角秒 表示 的 是 度数 而 不是 时间
你 就 想象 这个 黑洞 的 上 沿 和 下 沿到 我们 这 形成 一个 角度
人类 的 视角 你 眼睛 挣得 大 点
在 垂直 方向 至少 能 看到 100 多度
我们 把 1 度 分成 60 份 就 得到 了 1 角分
1 角分 再 分成 60 度 就 得到 了 1 角秒
那微角 秒 是 什么 意思 呢 ？
这 就 不是 60 进制 了
1 角秒 分成 1000 份 是 1 毫角 秒
1 毫角 秒 再 分成 1000 份 才 是 1 微角 秒
所以 说 这 就 相当于 是 你 站 在 地球 上
去 观测 一个 放在 月球 上 的 乒乓球 那么 大
那 怎么 提高 角 分辨率 呢 ？
角 分辨率 和 两个 因素 有关
一个 是 射电 望远镜 的 口径 就是 大小
另外 一个 就是 观测 频段 的 波长
口径 越大 观测 频段 波长 越 小角 分辨率 就 越 高
我们 能够 看到 的 照片 也 就 越 清晰
怎么 增大 口径 呢 ？
建造 一个 更大 口径 的 射电 望远镜 ？
还是 不够 大
所以 科学家 采用 了 甚长 基线 干涉技术 简称 VLBI
就是 我 把 多个 射电 望远镜 链接 一起 一同 拍摄
这样 望远镜 之间 的 连线 就 相当于 是
一个 更大 口径 的 射电 望远镜
那 我们 在 地球表面 能够 做到 的 理论 上 的 最大 口径
就是 地球 的 直径 这么 大
这次 的 EHT 事件 视界 望远镜
就是 连接 了 全世界 的 8 个 射电 望远镜
得到 了 一个 相当于 口径 是 1 万公里 的 望远镜
这 已经 够 大 了 吧
然后 还 得 降低 观测 波长 啊
当然 这 就 得 要求 所有 的 望远镜 都 能够 在技术上 实现
然后 VLBI 技术 也 得 支持
所以 最终 选择 的 就是 毫米 和 亚毫米波 段
这次 拍摄 的 波段 是 1.3 毫米
正在 向 0.8 毫米 进攻
除此之外 还 得 要求 射电 望远镜 有 很 高 的 灵敏度
这点 在 这次 的 任务 当中 智利 的 ALMA 阵列 功不可没
总结 起来 就是 在 目前 现有 的 能力 范围 内
你们 看到 的 照片 已经 足够 清晰 了
之后 随着 技术 的 提高
人们 观测 的 波长 可以 越来越 小
口径 还 可不可以 提高 呢 ？
可以
地球 太小 那 我 就 放在 太空 呗
这样 口径 不 就 更 大 了 嘛
这些 计划 也 都 在 进行 当中
所以 这 只是 人类 的 一 小步
但是 只要 证明 这项 技术 可以 实现
那 后续 就 会 有 更 多 清晰 的 黑洞 照片
大家 放心
第五个 问题
为什么 这次 参与 拍摄 的 8 个 射电 望远镜 当中
没有 中国 的 FAST？
这个 问题 好像 大家 比较关心
我国 的 FAST 射电 望远镜 坐落 在 云贵高原
2011 年 开工 2016 年 落成 口径 500 米
这次 没有 参与 拍摄 主要 有 这么 几个 原因
首先 FAST 的 主要 工作 波段 不是 亚毫米波
FAST 主要 针对 于 厘米 到 米 之间 的 射电 波
再 一个 是 刚才 咱们 说 亚毫米波
很 容易 被 大气 散射
也 容易 被 水蒸气 吸收
所以 这次 参与 拍摄 的 望远镜 的 海拔 整体 都 比较 高
像 这次 的 主力 ALMA 阵列 海拔 就是 5000 多米
这样 可以 更好 的 降低 大气 的 干扰
其实 我国 大陆 倒 是 有 两个 亚毫米波 望远镜
一个 在 青海 一个 在 西藏
可惜 这 两个 望远镜 不 具备 VLBI 的 联网 功能
然后 想要 组建 一个 阵列
最好 就 得 要求 所有 的 射电 望远镜 都 在 一个 面上
这样 可以 同时 观测 一个 位置
但是 我国 这 两个 望远镜 的 位置
刚好 和 ALMA 阵列 在 地球 上 是 相对 的
ALMA 在 智利
所以 就 没有 中国 的 射电 望远镜 加入 了
不过 不久 的 将来 一定 会 有 的
而且 目前 我们 也 在 组件 自己 的 阵列
本次 拍摄 虽然 是 来自 世界各地 的 8 个 望远镜
但是 光有 望远镜 的 拍摄 是 不行 的
还 需要 大量 的 人力 来 处理 这些 照片
在 来自 世界各地 的 200 多位 工作者 当中
就 包括 我国 上海 天文台 的 科学家 们
所以 要 向 科学家 们 致敬
200 多位 科学家 艰苦奋斗 了 两年
才 有 了 这 第一张 黑洞 的 照片
第六个 问题
为什么 这张 照片 洗 了 两年 ？
首先 数据量 相当 之大
2017 年 4 月 拍摄 的 时候
每个 台站 的 数据 达到 了 每秒钟 32GBit
8 个 台站 5 天 的 观测 量 达到 了 3500TB
10 天 的 观测 量 达到 了 1PB 量级
如果 1GB 相当于 一部 高清 电影
这 就 相当于 是 100 万部 高清 电影
一部 电影 就算 按 1 个 小时 计算
那 这些 观测 量 你 一个 人 也 得 至少 看 100 年
重点 是 还 不是 看 电影 这么 简单
科学家 还 得 对 数据 进行 分析 处理
包括 制定 一些 特定 的 算法
所以 现在 是不是 觉得 两年 已经 很快 了 ？
第七个 问题
黑洞 照片 证明 爱因斯坦 是 对 的 了 吗 ？
爱因斯坦 的 广义 相对论 是 正确 的
这个 已经 有 很多 证据 了
这次 只能 说 爱因斯坦 又 对 了 再 得 一分
其实 昨天 在 直播 中 我 已经 提到 了
就是 之前 人们 按照 现有 理论
已经 模拟出 了 这个 黑洞 应该 的 样子
这张 照片 的 意义 就 在于 它 肯定 了 这个 模拟 的 结果
同时 也 肯定 了 广义 相对论
咱们 看到 的 照片 和 预言 中 的 几乎 完全一致
还有 一点 就是
以往 人们 对于 黑洞 性质 还 只能靠 猜测
这个 误差 还是 比较 大 的
比如说 我们 猜测 的 人马座 A* 的 质量
应该 是 400-450 万个 太阳 质量
一个 太阳 质量 可是 2*10^30kg 啊
但是 通过 照片 中 的 黑洞 阴影
就 可以 让 我们 更好 的 直接 测量 黑洞 的 质量
这样 误差 就 会 更 小
也 可以 让 我们 对 黑洞 的 理解 更加 透彻
这些 都 是 它 的 意义 所在
好 那 今天 的 问答 就 到 这
如果 各位 还有 什么 问题 可以 在 视频 下方 留言 给 我
我 尽量 给 大家 解答
每周 一 、 三 、 五
B 站 、YouTube、 微信 公众 平台 不见不散
我 是 妈咪 叔 一个 较真儿 的 理工 男
下期 见 拜拜
