黑洞 照片 将 至 ？关于 黑洞 你 需要 先 补习 的 知识 人 进入 黑洞 会 怎样？
妈咪 说 知识 就是 力量 大家 好 我 是 妈咪 叔
今天 很 激动 算是 没白 有生之年 是 吧
北京 时间 今晚 9 点到 10 点
EHT 将 公布 人类 历史 上 第一张 真实 的 黑洞 照片
那 今晚 我 也 准备 陪 着 大家 一起 见证 历史
在 直播 之前 还有 一段时间
咱们 准备 先来 聊 一聊 黑洞 那点 事儿
黑洞 以往 在 我们 印象 中 都 以 神秘 著称 是 吧
为什么 神秘 呢 ？
因为 这 东西 引力 太 大
连光 都 逃逸 不了
所以 理论 上 我们 看 都 看不见
就 只能靠 想象
甚至 想象 都 没法 想象
那 因为 咱们 系统 的 天体 物理 的 篇章 还有 没 开
今天 咱们 先 来 简单 聊一聊
黑洞 是 怎么 形成 的 呢 ？
既然 看不见 怎么 那 还 能 拍照片 呢 ？
好 开始 了
最早 对于 黑洞 的 预言
是 来自 一位 英国 的 自然 哲学家 叫做 约翰 · 米歇尔
他 就 想 说 如果 一个 天体 质量 足够 大
很 有 可能 连光 都 逃脱 不了
然后 在 1783 年 他 就 给 卡文迪许 写 了 一封信
就 把 这个 想法 说 了
米歇尔 为什么 会 有 这种 想法 呢
首先 因为 当时 万有引力 已经 被 发现 了
其次 在 当时 人们 对光 的 认识 刚好 停留 在
牛顿 的 微粒说 上 呢
就是 认为 光是 粒子
那 如果 一个 天体 质量 足够 大 万有引力 就 足够 大
光 粒子 可不 就 跑不了 嘛
后来 又 有 一个 人 也 有 了 相同 的 想法
这个 人 就是 拉普拉斯
拉普拉斯 在 1796 年 的 时候 不仅 有 这个 想法
他 还 计算 了 一下
他 说 如果 有 一个 天体 的 质量 是 250 个 太阳 质量
这个 太阳 质量 是 天文学 中 很 常用 的 单位
一个 太阳 质量 约等于 2*10^30kg 1.989*10^30kg
它 就 表示 太阳 的 质量
拉普拉斯 说 说 如果 有 一个 天体 的 质量 是 250 个 太阳 质量
然后 它 的 半径 还 等于 地球 的 半径
那么 它 将 不 允许 任何 光线 离开 它
这 就是 最早 的 对于 黑洞 的 预言
拉普拉斯 甚至 还 给出 了 黑洞 的 半径 公式
R=2GM/c^2
当时 他 的 推导 也 很 简单
就是 当 光子 的 引力 势能 等于 光子 动能 的 时候
这 就是 分水岭
这个 推导 在 今天 看来 肯定 是 不 对 的
但是 拉普拉斯 给出 的 答案 居然 是 正确 的
就是 你 用 广义 相对论 去 算 也 是 2GM/c^2 这个 结果
后来 这种 说法 逐渐 就 被 淡忘 了
原因 就是 惠更斯 、 托马斯 杨 等 人 证明 了 光是 波而 不是 粒子
那 自然 拉普拉斯 的 说法 就 不能 让 人 信服 了
当时 不 叫 黑洞 叫 致密 天体 或者 叫 暗星
黑洞 这个 词是 1968 年 物理学家 惠勒 给 起 的
之前 一直 叫 暗星
再 后来 1915 年 爱因斯坦 提出 了 广义 相对论
人们 就 开始 用 这套 理论 来 研究 天体
最早 通过 广义 相对论 在 理论 上解 出 黑洞 的 人
叫做 史瓦西 德国 天文学家
就是 我们 通常 说 的 史瓦西 黑洞
广义 相对论 发表 之后 一个月 史瓦西 就 解出 了 史瓦西 黑洞
当时 得出 这个 解 的 时候 人们 也 很 疑惑
史瓦西 解 就是说 有 可能 会 存在 这样 一种 天体
能够 将 史瓦西 半径 内 的 所有 物质 、 能量
包括 光 全部 压缩 到 中心 的 一个 奇点 里 去
这个 史瓦西 半径 就是 咱们 刚才 说 的
拉普拉斯 歪打 误撞 的 那个 2GM/c^2
你 要是 计算 就 会 发现
太阳 的 史瓦西 半径 是 3 公里
就是 把 太阳 所有 质量 压缩 到 3 公里 内 就 会 形成 黑洞
地球 的 史瓦西 半径 就是 9 毫米
但是 人们 理解 不了 啊
为什么 会 形成 黑洞 呢 ？
机理 不 清楚
后来 具体 预言 出 黑洞 的 人 是 美国 物理学家 奥本海默
原子弹 之 父
1939 年 奥本海默 正在 研究 中子星
什么 是 中子星 呢 ？
就是 恒星 到 了 末期
发生 超新星 爆炸 之后 就 可能 会 形成 中子星
大部分 都 是 中子
1932 年 中子 被 发现 之后
紧接着 朗道 就 预言 了 中子星
中子星 的 密度 能够 达到 米 立方厘米 10 亿吨 左右
这么 高 的 密度
奥本海默 发现 中子星 应该 有 一个 质量 上限
就是 3 个 太阳 质量
今天 这个 上限 就 被称作 奥本海默 极限
质量 如果 超过 3 个 太阳 质量 的 中子星 会 怎么样 呢 ？
中子星 就 会 在 引力 作用 下 继续 坍缩
原来 的 中子星 不能 坍缩 就是 因为
中子星 内部 中子 之间 存在 简并 压力
这 就 有点像 泡利 不相容 原理
但是 超过 3 个 太阳 质量 中子 简并 压力 就 支撑 不住 万有引力 了
所以 就 会 继续 坍缩
这一 坍缩 还 停不下来 了
所有 质量 就 会 被 压缩 到 中间 的 一个 奇点 内
于是 就 形成 了 黑洞
二战 之后 物理学家 研究 完 核武器 了 没事干 了
大部分 人 就 开始 研究 黑洞
后来 又 在 理论 上解 出 了 很 多种 黑洞
史瓦西 黑洞 是 最 简单 的 一种
中心 有个 奇点 密度 无限大
然后 最 外层
就是 史瓦西 半径 的 这个 表面 叫做 事件 视界
这 就是 个 分水岭
任何 物质 只要 进入 事件 视界 就 出不去 了
瞬间 就 被吸入 中心 的 奇点 去 了
然后 中心 的 奇点 和 视界 之间 基本上 就是 真空
这 就是 史瓦西 黑洞 我们 最 常听到 的
还有 的 黑洞 是 带 电荷 的
可能 有 两个 视界
还有 的 黑洞 是 旋转 的 等等
由于 黑洞 的 特殊性
我们 能够 探测 到 黑洞 的 信息 就 几乎 没有
这 叫做 黑洞 的 无毛 定理
就是 没有 毛 秃 的
但是 还 不是 全秃
我们 只能 探测 到 黑洞 的 三个 信息
总 质量 、 总 电荷 量 与 总 角动量
所以 应该 叫 三毛 定理
只要 有 这 三个 信息 黑洞 的 性质 也 就 被 唯一 确定 了
因为 它 没有 别的
所以 无毛 定理 有 的 时候 也 叫做 唯一性 定理
那 下面 咱们 考虑 个 好玩 的 问题
假如 有 个人 进入 黑洞 的 事件 视界 了 会 怎么样 呢 ？
理论 上 应该 是 这样 的
假设 我们 在 很 远 的 地方 安全 的 地方 看到 一个 人 逐渐 的 走向 事件 视界 了
当 他 进去 的 那一刻 连光 都 出不来 了
所以 在 我们 的 视线 里 只能 看到 他 消失 在 边缘 处 了
而且 随着 这个 人 的 靠近
引力 会 越来越 大 时空 就 会 越来越 弯曲
就 会 造成 光线 的 引力 红移
事件 视界 表面 的 红移 是 无限大 的
所以 事件 视界 也 叫做 无限 红移面
那 也 就 说明 这个 人会 越来越 红 越来越 红
最终 就 看不见 了
然后 如果 这个 人 身上 背 了 一个 钟
这个 钟 在 我们 看来 就 会 越 走 越慢 越 走 越慢
在 事件 视界 处 我们 看到 他 的 时间 就 停止 了
所以 我们 整体 观察 到 的 现象 应该 是
这个 人 越来越 慢 的 越来越 红 的 靠近 黑洞 表面
然后 留下 一个 落寞 的 背影 之后 在 表面 处 就 消失 了
而 这个 人 所 看到 的 景象 就 不 一样 了
首先 他 可以 感受 到 自己 进入 黑洞 了
就是 他 的 时间 和 我们 的 时间 是 不 一样 的
其次 他 还 应该 感受 到 强大 无比 的 潮汐 力
潮汐 力 咱们 说 过
就是 由于 万有引力 差所 引起 的
假设 这个 人 是 个 橡皮 人
那 他 一定 会 被 拉 得 很长
然后 在 巨大 的 引力 之下 飞 向 奇点
整个 过程 不到 一念之间
到达 奇点 之后 那 就是 时间 的 终点 有去无回
在 广义 相对论 里 黑洞 是 时间 的 终点 只 进不出
白洞 是 时间 的 起点 只出 不进
所以 理论 上白洞 也 是 可以 存在 的
但是 就是 不 知道 它 应该 怎么 存在
比如说 时间 的 起点 光 这点 人们 就 理解 不 上去
所以 研究 的 人 不是 很多
还有 一点 就是 你 可能 会 好奇
你 说 黑洞 连光 都 逃脱 不了 看 都 看不见
我们 怎们 确定 黑洞 是 存在 的 呢 ？
如何 证明 六娃 是 存在 的
有 办法
由于 黑洞 中心 密度 无限大
注意 哦 是 中心 密度 无限大
整体 的 黑洞 密度 是 没有 意义 的
黑洞 质量 越大 史瓦西 半径 就 越 大
你 要 算 平均 密度 就 会 越来越 小
这个 数据 没 意义
黑洞 视界 外围 的 引力 也 是 很大 的
所以 会 把 周围 的 物质 慢慢 的 吸入 黑洞
逐渐 周围 的 物质 就 会 形成 一个 绕 着 黑洞 旋转 的 圆盘
就 像是 你 接 了 一手 盆水
然后 把 水漏 一 打开 就 会 出现 旋涡 一样
这个 吸引 周围 物质 的 过程 叫做 吸积
形成 的 这个 旋转 的 圆盘 就 叫做 吸积 盘
甚至 有 的 黑洞 会 从 吸积 盘 中心 的 两侧
就是 旋转轴 喷发 等离子体 流
这个 现象 叫做 相对论性 喷流 简称 喷流
这个 喷流 的 长度 可以 达到 几千 甚至 几十万 光年
喷流 具体 怎么 形成 的 呢 ？
目前 的 理论 就是 因为 磁场
就 有点 类似 于 脉冲星
我们 为什么 能够 接收 到 脉冲 呢 ？
就是 脉冲星 两端 的 磁场 是 高度 密集 的
所以 就 会 向 外 喷 一些 射线
就 像 两个 探照灯 一样
然后 只要 扫过 地球 一次 我们 就 能 接收 到 一个 脉冲
但是 喷流 具体 也 不是 很 明确
或者 我们 会 发现
有 一些 天体 会 莫名其妙 的 围着 一个 中心 转
这个 中心 又 好像 啥 也 没有
应该 就是 个 黑洞
所以 我们 通过 吸积 盘 还有 喷流 这些 现象
就 可以 大概 确定 黑洞 的 存在
但是 科学家 永远 是 最 严谨 的 一帮人
即便 我们 能够 通过 一些 现象 猜测出 黑洞 是 存在 的
但 这些 现象 也 并 不足以 证明 黑洞 是 存在 的
所以 天文学家 把 目前 发现 的 疑似 黑洞 的 天体
都 叫做 黑洞 候选者
就是 黑洞 嫌疑人
目前 候选者 也 有 个 几十个 了
但是 就 因为 没有 一张 直接 的 黑洞 照片
所以 严格 的 说 黑洞 到 目前为止 还 没有 被 证实
只能 说 疑似 黑洞 明白 吧
在 所有 的 候选者 里 目前 发现 离 我们 最近 的
就是 麒麟座 的 V616
距离 我们 2800 光年
这 就是 一个 双星 系统
但是 你 看上去 就 一个 星 在 那 转
咋 回事 啊 ？
另 一个 很 可能 就是 黑洞
这是 最近 的 黑洞 候选者
这次 EHT 拍摄 的 候选 黑洞 是
位于 咱们 银河系 中心 的 人马座 A*
它 特殊 在 哪 呢 ？
它 大 质量 大
大概 有 400 万个 太阳 质量
超过 10 万个 太阳 质量 就 可以 叫做 超大 质量 黑洞 了
人马座 A* 很 有 可能 就是 离 我们 最近 的 超大 质量 黑洞
因为 质量 大 所以 吸积 盘 还有 喷流 这些 现象 就 会 很 明显
被 认为 是 研究 黑洞 的 最佳 目标
所以 就 选择 拍摄 它 了
但是 不好 拍
最 主要 的 一个 原因 就是 离 我们 有点 远
距离 我们 2.6 万光年
虽然 它 的 体积 有 30 个 太阳 体积
但 就是 因为 远
也 使得 观测 起来 十分困难
就 好比 我们 在 地球 上去 看 放在 月球 上 的 一个 乒乓球 一样
按照 计算 如果 想 获得理想 的 观测 效果
必须 要 建造 一个 口径 和 地球 一样 大 的 射电 望远镜
这 怎么办 呢 ？
有 办法
2012 年 全世界 的 天文学家
在 美国 亚利桑那州 召开 了 一次 会议
征求 当时 全世界 各地 的 天文 射电 望远镜 的 加入
让 每 一个 不同 点位 的 射电 望远镜
分别 去 拍摄 人马座 A*
然后 随着 地球 的 自转 和 公转
一直 去 拍摄 就 相当于 地球 上 有 更 多 的 点位 参与 了 拍摄
最后 再 把 这些 照片 合成 一张 照片 不 就 行嘛
这个 办法 聪明 吧
这个 会议 就 叫做 EHT 会议
Event Horizon Telscope 事件 视界 望远镜
最终 多个 国家 和 组织 参与 了 进来
EHT 计划 其实 早就 启动 了
早 在 2006 年 EHT 会议 没 召开 之前
几个 组织 就 已经 开始 技术性 测试 了
主要 技术 就是 甚长 基线 干涉技术 简称 VLBI
就是 几个 射电 望远镜 共同 去 拍摄 一张 照片
2017 年 4 月 正式 对 人马座 A* 进行 观测
为期 十天
参与 的 射电 天文 望远镜 统一 使用 原子钟 对表
拍摄 用 了 十天 修图 用 了 两年
这次 公布 的 照片 就是 2017 年 拍摄 的 结果
大家 不要 觉得 时间 长
因为 这个 照片 处理 起来 真的 很 不 容易
需要 处理 无数张 照片
而且 还是 某种 黑 科技 算法
咱们 国家 虽然 没有 射电 望远镜 加入
但是 上海 天文台 的 科学家 加入 了 本次 计划
我 个人 认为 这次 公布 照片 应该 会 是 载入史册 的
就是 一定 是 拍 到 什么 了
要不然 不会 全世界 搞 发布会 是 吧
所以 还是 很 期待 的
有 可能 随着 照片 的 公布 就算 是 黑洞 被 证实 了
有 可能
所以 整体 上 意义 还是 很大
那好 吧
具体 的 结果 今晚 我们 一同 来 见证 吧
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
