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从黑暗的星星到理想化的观点:看到黑洞的故事

author:毋丘卷铘 来源:本站原创 时间:2019-07-05

作者:Richard Easther *

意见 - 数学上,黑洞是空的空间。

中国研究人员讨论了上海天文台黑洞图像的成像方法。

中国研究人员讨论了上海天文台黑洞图像的成像方法。 照片: 法新社

黑洞不仅仅是质量,而是黑洞是空间结构中的一个皱纹,一个宇宙的肚脐按钮,它是大规模曾经存在的地方,在它从我们可观察的宇宙中消失之前。

但图像 - 图片不仅是尖端的科学,而是200年的推测和理论的高潮最终被观察所证实。

黑洞的想法可以追溯到1783年英国“自然哲学家” 的计算。与他的同时代人一样,他将光想象成一股粒子流,拉着松散的知识分子,米歇尔问大小明星需要成为之前,甚至自己的光都无法摆脱它的魔力。 也就是说,一颗恒星的引力场何时变得如此强大,以至于光线会回到恒星表面而不是偏离距离?

要想回答这个问题,想象一下用太阳大小的砖块建造一个巨大的,想象中的乐高星。 为了制造一个“明星”500个太阳,你需要125,000,000块砖 - 体积为500x500x500。 因此产生的恒星的重量将达到1.25亿太阳质量,并且正如米歇尔所计算的那样,这个巨大的引力场将如此强大,以至于光线都无法逃脱它的控制。 米歇尔将这些假想的怪物称为“黑暗之星”,因为它们对外界是不可见的。

但他的工作远远超过了它的时代,并且在接下来的两个世纪的大部分时间里,它在科学文献中处于休眠状态并且基本上是不可见的。

艾尔伯特爱因斯坦

爱因斯坦 照片: Albert

这个故事在1915年向前推进,当时阿尔伯特·爱因斯坦用他将空间,时间和引力编织成一个单一的结构。

在柏林工作,在一个锁定全球冲突的帝国的核心,爱因斯坦敲定了一套方程式,将重力解释为大型物体拉伸时空。 要在爱因斯坦理论中推导出恒星的引力场,首先要将它精神上缩小到一个理想化点。 数学告诉你,靠近这个想象点的光本身无法逃脱到世界之外。

对于外部观察者来说,这个镜子世界的边缘是事件视界,标志着我们现在称之为黑洞的外部边界。 但是对于一颗变成黑洞的恒星来说,它必须从目前的数百万公里的大小坍塌到只有几公里的地方。

因此,从爱因斯坦的角度来看,黑洞是崩溃的终点,与米歇尔推断出的巨大黑暗星相反。

爱因斯坦自己认为黑洞是一种数学上的好奇心,在自然界中永远无法实现。 然而,随着20世纪60年代早期相对论天体物理学的研究蓬勃发展,实际黑洞的存在日益受到重视。

新西兰人在黑洞研究的中心

比阿特丽斯·汀斯利

Beatrice Tinsley 照片: Wikicommons

两位新西兰人正处于这个新领域的中心。 其中之一, ,继续为不断发展的宇宙做基础工作。 另一位数学家解决了爱因斯坦旋转黑洞的方程式。

没有什么可以逃脱事件的视野,所以一个黑洞隐藏了所有坍塌的记忆以创造它。 外面的观察者只能看到它的质量和旋转 - 几乎所有的天文物体都在旋转 - 黑洞继承了它的祖先的旋转。 Kerr发现的方程式是对自然的抽象的,理想化的描述,但是它可以捕捉我们希望观察到的几乎所有实际黑洞的动态。

眼见为实

发现的第一个黑洞是太阳质量的10或20倍; 大质量恒星的外壳快速燃烧并迅速死亡。 但是我们的宇宙中还有第二类黑洞 - 像银河系这样的每个星系都被认为在它的心脏上有一个超大质量的黑洞,它比单颗恒星的质量高出数百万甚至数十亿。 (这是一个美妙的巧合,这些超大质量黑洞与200多年前米歇尔想象的“黑暗之星”的大小相似。)

二十年前,一些科学家意识到这些巨大的黑洞可能会被地面望远镜探测到,他们的视野是由事件地平线望远镜实现的。 这个“望远镜”是一个射电望远镜网络,从南极延伸到安第斯山脉到欧洲,其输出被拼接在一起,使它们作为一个单一的仪器运行。 望远镜观察精细细节的能力随着它的大小而增长,这个虚拟望远镜实际上与地球本身一样大。 天文爱好者喜欢比较,EHT媒体活动也不例外 - 我们被告知发布的图像显示的细节相当于在洛杉矶使用望远镜在华盛顿特区的硬币上阅读日期。

罗伊克尔教授

罗伊科尔 照片: 提供

EHT在我们自己的银河系中心进行了训练,距离地球大约25,000光年,是一个巨大的星系的心脏,距离地球大约5500万光年的Messier 87。 众所周知,银河系的中心黑洞大约是太阳的四百万倍; M87核心的怪物比太阳大60亿倍,可能是宇宙中最大的黑洞之一。 尽管距离很远,但它的大小确保了潜在的可见性,事实证明,正是这个目标我们有了明确的结果。

谈到“看到”黑洞是荒谬的。 我们实际看到的是事件视界之外的物质盘,以接近光速的速度旋转,夹在强烈的引力场中:围绕宇宙的一个旋涡旋转。 这个圆盘发出灼热的光,但是黑洞会扭曲它周围的空间,从圆盘发出的光跟随弯曲和复杂的路径,当它从洞中爬出并进入星系际空间时。

我们的磁盘图像被中心的看不见的质量所扭曲,黑洞透过它在周围环境中投射的“阴影”显露出来。 值得注意的是,昨天发布的详细图像符合克尔对旋转黑洞的数学描述的预期。 就像Michell自己在200多年前所认识到的那样,黑洞在眼睛看不见,但是通过它们对周围环境的重力影响来揭示它们。

跃入未知世界

这是一个标志性的图像,标志着天文学和基础物理学的新时代。 从这里我们可以进一步探索宇宙中最大的黑洞的直接环境。 这也是一个极端的故事 - 我们通过在我们可以想象的最激烈的环境中测试它们来验证我们对物理世界最深刻的想法。

最重要的是,对我来说,这个图像是一个令人惊叹的例子,说明物理学如何通过将管理我们有形的日常世界的规则推广到远远超出任何可能的人类经验的环境,从而使未知世界 - 以及长期以来不可知的 - 实现巨大飞跃。

无论你如何看,它都是一项了不起的成就。

* Richard Easther教授是奥克兰大学物理系主任

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