黑洞物理 銀河系中央黑洞的首張照片！

這是一張超大質量黑洞的照片 在銀河系的中心處 稱為人馬座A*。 黑洞本身不會發光， 我們看到的是熱等離子體在其周圍旋轉。 這僅是人類歷史上第二張黑洞的照片。 由事件視界望遠鏡合作組織拍攝而成， 帶來這張圖片的同一群人 位於星系M87中心的超大質量黑洞。 現在，他們原來的計畫 是首度拍攝到人馬座A*星的影像。 既然在我們自己的銀河系內， 它比M87星系的黑洞近了2000倍。 但它也小了超過一千倍。 因此從地球上看，它僅略大一些 比M87星系的恆星更為巨大。 而且還有許多額外的挑戰 觀察它。 首先，有大量的塵埃和氣體 我們與銀河系中心之間。 所以連可見光你也看不見它。 在這段來自歐洲南方天文台的影片中， 我們放大觀看我們星系的中心。 隨著我們越來越接近， 在某個時刻，我們必須轉而使用紅外光， 能夠更有效地穿透碎片的， 讓我們從地球上看見它。 過去三十多年來 我們已經能夠窺探銀河系的核心區域 並見證一件真正驚人的事。 一組快速穿梭的星體 各種古怪軌道上。 它們移動得極其迅速。 其中一顆恆星的速度被測量出來了 每秒2400萬米。 那是光速的8%。 所有這些恆星看起來都像是在繞行 某種極其巨大且緊密的物體 但這個物體並不像恆星那樣發出明亮的光。 如果你仔細觀察， 你可以看到它時不時地閃爍。 這就是我們認為的超大質量黑洞。 從恆星圍繞它的運動來看， 我們可以推斷出黑洞的質量 約為太陽質量的四百萬倍。 但所有事物都擠壓進一個微小的點，即奇點。 任何東西，包括光線在內 距離此點不到史瓦西半徑範圍內 無法逃脫，最終墜入奇點。 因此，要讓我們觀測到來自黑洞的任何輻射， 它一定來自更遠的地方，而不是這裡。 通常來自下墜時的過熱電漿。 但就其規模而言， 人馬座A*並不會吞噬太多物質。 異常地安靜，異常地黑暗。 M87星系中心的超大質量黑洞， 相反，則要活躍得多。 吞噬其吸積盤中的物質。 而且，由於它的體積超過了1,000倍， 物體繞它運行所需時間是原來的1,000倍。 這意味著從地球上看。 其外觀隨時間的變化更為一致 與人馬座A*相反， 事物可能在數分鐘內就發生變化。 這些圖像來自盧恰諾·里齊奧拉 以及歌德大學法蘭克福分校的同事們。 但最大的挑戰在於此 在製作超大質量黑洞的影像時 這些物體如此緊密且遠離地球， 在天空中，它們看起來非常、非常小。 僅從其微小的程度便可略知一二， 將整個天空分成180度。 仙女座星系的視直徑約為三度。 然後將一度分為60角分 一分鐘弧等於60秒弧。 將一弧秒分為100份， 再變成100 再變成一百次。 這是黑洞在天空中所佔的大小。 這相當於拍一張照片 一個甜甜圈在月球上。 現在，地球上沒有光學望遠鏡 那可能產生這樣一幅圖像。 所以在這支影片中，我想回答兩個問題。 他們是如何做到的？ 我們實際上在看什麼？ 所以從一開始就 他們是如何製作這些黑洞圖像的？ 首先，要知道的是 它們並非用可見光製成的。 它們是利用無線電波製成的。 波長為1.3毫米。 因此，所有的觀測都是由射電望遠鏡完成的。 基本上看起來像巨大的衛星天線。 當訊號源發射無線電波時， 他們以放射狀向四面八方移動。 但地球太遠了 當它們抵達我們的星球時 波前幾乎完全平坦且平行。 這被稱為平面波。 一台射電望遠鏡的工作原理是 透過在天空中來回掃描。 當它直接指向無線電訊號來源時， 它產生一個亮點。 因為所有的無線電波傳播的距離都相同， 彈跳到碟子上，並同時被接收。 所以它們處於同相。 意義的峰值與峰值對齊，谷值與谷值對齊。 它們建設性地干涉。 當望遠鏡移過訊號來源時， 一些無線電波現在傳播的距離比其他無線電波更遠。 因此，它們會錯開相位相遇。 破壞性干涉， 信號強度下降至零。 要拍出清晰的照片， 你希望這個下降趨勢盡可能陡峭。 因此，望遠鏡產生峰值強度 只有當直接指向來源時。 然後強度迅速下降 當盤子在任何方向僅移動一點點時。 達成這一點有兩種方法。 一是觀測高頻率的無線電波。 這樣一來，望遠鏡的任何微小移動都會 代表較大的波長比例。 這導致破壞性干涉提早發生。 另一種方法是增大望遠鏡的口徑。 這增加了路徑長度的差異 無線電波在望遠鏡兩側之間 針對給定的角調整。 望遠鏡能多精確地辨識 無線電波的來源 稱為其角解析度。 你可以把它想像成天空中光斑的大小。 該望遠鏡對其敏感的範圍。 它與波長成正比 反比於 至望遠鏡的口徑。 拍攝黑洞照片所面臨的挑戰 你試圖看到的是結構 在天空的一小片區域裡。 想像一下掃描一台射電望遠鏡 穿越黑洞的中心。 你會想看看那個亮點 當望遠鏡經過左側邊緣時 然後是一個暗點， 然後當它經過右邊緣時，又出現另一個明亮的斑點。 問題在於，對於地球上任何一台單獨的射電望遠鏡而言， 角解析度太大。 當它經過黑洞時， 它仍然會接收來自左側的無線電波 當它開始接收來自右側的無線電波時。 解析度不夠，無法辨識 如果存在一個環狀結構的話 正如我們預期的那樣，黑洞就是如此。 又或者只是一團模糊的物體。 在較短波長下觀測並不是一個實際的選擇 因為那束光被我們的大氣層擋住了 或由黑洞周圍的物質所造成。 因此，如果你想提升解析度， 你唯一能做的事 是通過增大望遠鏡的口徑來實現的。 但如果真的進行計算的話 你會發現所需的望遠鏡 必須大到與地球一樣大 為了觀察黑洞的環， 這顯然是不可能的。 但有一種方法可以做到幾乎同樣好的效果。 你不需要一整道大到像地球一樣的菜餚， 僅僅是其中的一部分，單獨的射電望遠鏡 距離可達地球直徑那麼遠。 只要能恰當地結合這些訊號 從所有這些遙遠的望遠鏡來看， 你會得到相長干涉和相消干涉 達到相同的角解析度所需的條件 一個地球大小的碟子。 這種技術稱為甚長基線干涉測量法。 因此，事件視界望遠鏡並非僅僅是一架望遠鏡， 但是一個全球性的無線電觀測台網絡。 所有這些望遠鏡都觀測人馬座A*星 同時。 與單一望遠鏡不同， 你無法將所有無線電波反射到一個中央接收器上 並實時相加。 因此，每台望遠鏡分別記錄信號 在它所在的位置以及精確到韁秒的時間。 產生了數千萬億位元組的資料， 但現在需要將數據整合起來。 最快的方法就是這麼做 實際上是攜帶硬碟作為手提行李 集中到中央位置。 現在來想想我們所掌握的資料， 電氣信號與精確時序 來自世界各地的數個無線電望遠鏡。 但那些射電望遠鏡並沒有任何一個 具有足夠的角解析度 看見黑洞的環。 那麼你如何整合這些數據呢 並獲得比任何輸入源更細膩的細節？ 嗯，還有額外的資訊 這些望遠鏡之間的相對距離 以及時間延遲之中 當波前撞擊其中一台望遠鏡時 相對於其他而言。 想像將兩台遠距離望遠鏡的訊號結合起來。Tailored 假設他們兩人同時接收到相同的波動。 所以那些波浪是同相傳入的。 那麼，來源必定已被定位 直接位於他們之間。 無線電波所行經的距離將會相同 使每架望遠鏡同時到達。 除了僅使用兩架望遠鏡之外， 這只將範圍縮小到天空中的一條線。 距離兩座望遠鏡等距。 來源可能在那條線上的任何地方。 事實上情況比那更糟。 源頭有可能是 恰好比其中一台望遠鏡近一個波長。 這樣一來，無線電波就能 仍然會完全同步到相位。 或者這差異可能是兩個、三個或四個波長。 但你明白我的意思。 因此，從一對望遠鏡出發， 我們從來源獲得的資訊 實際上是一系列明暗相間的條紋。 相距較近的望遠鏡會產生寬闊的干涉條紋， 而相距較遠的則會產生窄條紋。 因此要製作一張圖像， 你需要在所有不同方向上都配对使用望遠鏡 以及不同的距離。 每對產生不同的干涉圖樣。 然後通過結合所有這些模式， 我們獲得了一張由它們所形成的黑洞的影像。 但現在我們有了這幅圖像， 它究竟在向我們展示什麼？ 好吧，這就是我解釋的方式 當第一張黑洞影像發布時。 那麼，這裡就是我虛構的科學奇點。 而這個球體代表事件視界。 一旦你進來了，就再也回不去了。 連光都沒有。 事件視界半徑 稱為史瓦西半徑。 現在，如果我們僅僅觀察一個黑洞 周圍什麼都沒有。 我們將無法製作出這樣的圖像 因為，嗯，它只會吸收 所有照射在它上面的電磁輻射。 但他們所觀察的黑洞 周圍有物質形成吸積盤。 在此吸積盤中， 這裡有灰塵和氣體極其混亂地旋轉著。 天氣熱得嚇人。 我們談的是數百萬度。 而且它進行得非常快速， 光速的顯著比例。 正是這件事讓黑洞得以維生 並隨著時間不斷變得更大。 但你會注意到，吸積盤 不會一直延伸到事件視界內部。 為什麼會這樣？ 因為那是因為有 最內層穩定圓形軌道 至於繞著一個不旋轉的黑洞周圍的物質， 該軌道位於三個史瓦西半徑處。 現在，很可能 我們星系中心的黑洞將會旋轉。 但為簡化起見， 我只是在考慮不旋轉的情況。 你可以看到我關於旋轉黑洞的影片 如果你想了解更多相關資訊， 所以這是最內層的軌道 對於繞行黑洞的物質。 如果它進入這個軌道內部， 它會非常迅速地進入黑洞的中心 而且我們再也聽不到它的消息了。 但有些東西可以靠得更近地繞行 到黑洞。 那就是光。 由於光沒有質量， 它實際上可以在1.5個史瓦西半徑處軌道運行。 現在，我用一個圓環來表示它， 但實際上，這可以是任何方向的。 所以它是一個光子軌道的球體。 如果你當時站在那裡， 當然，你永遠都無法前往那裡。 但如果可以的話 你可以期待著 實際上看到你的後腦勺 因為光子可以繞過 並完成該軌道。 現在，光子球是一種不穩定的軌道， 最終，這些光子要么 必須螺旋般地墜入奇點 或呈螺旋狀向外延伸，直達無窮遠處。 現在，我想回答的問題是 這所謂的黑色陰影到底是指什麼？ 圖片中的內容對應於這張圖片中的內容 在黑洞周圍實際發生了什麼？ 是事件視界嗎？ 我們只是在看著這一切嗎？ 還是光子球層呢 還是最內層穩定圓形軌道？ 嗯，事情很複雜。 原因是這個黑洞 扭曲其周圍的時空， 改變光線的路徑。 所以它們並不會只是直線前進 就像我們通常想像的那樣。 我的意思是，它們是沿直線前進的， 但 是的，它們是呈弧線進入的。 因此，看待這件事的最佳方式是 也許可以想像平行的光線 從觀察者那邊傳來 並擊打這裡的幾何形狀。 當然，如果平行光線射入 穿越事件視界 我們永遠不會再見到他們了。 所以他們走了。 那肯定是一個黑暗區域。 但如果一束光射入 事件視界正上方 它也會彎曲。 最終穿越事件視界。 它最終落入了黑洞。 即使是一束 incoming 的光線 與光子球相同距離的位置 最終會被扭曲進黑洞 並彎曲穿過事件視界。 因此，為了讓光線成為平行光線， 不會落入黑洞的 你實際上必須走出去達2.6個半徑的距離。 如果一束光線從距離2.6個史瓦西半徑處進入， 它只會擦過光子球層 在最接近的距離時 然後它將無限延伸下去。 因此我們所得到的陰影就是如此 看起來是這樣。 它比事件視界大2.6倍。 你說，我們真正看到的是什麼呢？ 這是什麼影子？ 嗯，中心處就是事件視界。 它相當清晰地對應到這個陰影的中心。 但如果仔細想想， 光線在上方或下方通過 最終也會穿越事件視界 就在背面。 事實上，我們得到的是 事件視界整個背面 映射到這影子上的圓環上。 因此，從我們在空間中的這一點觀察黑洞時， 我們實際上得以看到全部內容 黑洞事件視界之內。 我的意思是，也許談論看到它這件事有點傻 因為它是完全黑色的， 但這正是分數所在 將對應到這片陰影上。 情況還不止如此，越來越奇怪了。 因為光線可以進來並繞到背後 並說：全神貫注於前方。 你會在那旁邊得到另一幅完整的地平線圖像 在另一個環形區域中， 然後再來一個接在那之後 還有另一個在那之後 你基本上可以得到無限多張圖片 事件視界 當你接近這片陰影的邊緣時。 那麼我們所能看見的第一道光是什麼呢？ 正是那些以特定角度射入的光線 它們擦過光子球層 然後最終抵達我們的望遠鏡。 而且他們會投射出陰影， 這相當於事件視界大小的2.6倍。 所以我們大約會看到這樣的情況 如果我們恰好朝垂直方向觀察 吸積盤。 但更有可能的是 我們將會從某個隨機的角度來觀察 吸積盤。 我們甚至可能正從邊緣方向觀察。 在這種情況下，我們會看到黑洞的影子嗎？ 你可能會認為我們不會這樣做。 但事實是， 由於黑洞扭曲時空的方式 並使光線彎曲， 我們實際上看到的是吸積盤的背面。 其工作原理是光線射入 從吸積盤上彎曲至頂端 最後還會來到我們的望遠鏡。 因此我們最終看到的，就是那樣的景象。 同樣地，吸積盤底部發出的光 出現在下方，被彎曲至黑洞之下 並以那樣的方式朝我們靠近。 這就是我們得到圖像的地方 那看起來有點像星際黑洞。 這還只是冰山一角，後面更瘋狂。 因為從頂部反射出來的光線 這裡的吸積盤 可以繞到黑洞的後方。 在光子球面附近掠過，從右下方向出來。 在陰影下方形成一個非常細的圓環。 同樣地，來自吸積盤下方的光 前面可以從下方穿過並繞到後面 並從頂部探出頭來， 這就是為什麼我們會看到這裡有一圈光環。 我們所能看見的便是如此 如果我們非常靠近黑洞， 一件看起來極為壯觀的事物。 還有一個非常重要的影響因素需要考慮 那是吸積盤中的問題嗎 正以接近光速的速度飛行。 因此，如果它朝我們過來， 它看起來會比遠去時明亮得多。 這稱為相對論性束射或多普勒束射。 因此，這吸積盤的一側 會比其他的明亮許多。 這就是為什麼我們的影像中會出現一個明亮的區域。 因此，希望這能讓你有所了解 我們真正看到的東西 當我們觀察一個黑洞的影像時。