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    看不清的黑洞

    看不清的黑洞

    本文来自微信公众号:量子学派(ID:quantumschool),编辑:暗黑菠萝皮,作者:量子君,原标题《别闹了,一张照片看不清黑洞》,头图?东方IC


    引子:黑洞,很帅


    从2017年4月5日开始,一个国际合作的天文项目(Event Horizon Telescope,EHT)开?#32423;?#20004;个特殊天体进行观测:距离地球 25000 光年,位于银河系核心人马座A,以及距离地球5300 万光年的M87室女座星云。观测的目标不是常规的天体,而是两个疑似的超大质量黑洞。黑洞正前所?#20174;?#30340;暴露在人类的视网膜中。


    两年过去,2019年4月10日21点,EHT终于正式发布了首张黑洞照片,这是100多年来,自广义相对论预言黑洞存在后,人类第一次看清“黑洞?#20445;?#20063;就是我的真?#30340;?#26679;。


    是的,我的照片有一种莫名其妙的性感,一种说不清道不明的帅:



    人类,你真的自信看清我了吗?


    我从哪里来?


    我的母?#33258;?#26159;一颗燃烧的恒星,她给宇宙带来百亿年光亮,然而,她的生前越是绚丽灿烂,死后越?#33108;?#28073;暗淡。



    但并不是每一个恒星母亲都能诞生黑洞,我的母?#23383;?#37327;至少超过3到4个太阳。


    小于0.4个太阳质量的恒星,耗尽核心的氢之后,不会产生变化最后变成红矮星。


    0.4-3.4个太阳质量的恒星,当核心氢耗尽之后坍缩,内核会形成小而密的白矮星。


    超过3.4倍的太阳质量的恒星,最后会爆炸产生超新星。



    超新星爆炸会产生两种结果:


    一种是恒星完全解体,化成星际物质,结束恒星一生;


    另一种是留下中间高密度白矮星,白矮星的质量超过1.44倍的太阳质量之后,会继续坍缩,形成中子星。


    如果中子星质?#30475;?#20110;3.2倍太阳质量,那么中子?#33108;?#25509;着向内坍缩,直到中子被压碎。当恒?#21069;?#24452;小于史瓦西半径,就会形成黑洞。



    母亲怀我的过程非常艰难?#26680;?#30528;体内的原子核不断从氢(H)聚变至氦(He)再至铁(Fe),中子间的泡利斥力不足以抗衡自身引力。最?#31456;?#23506;火烬,激情不再时,母亲抱着自己坍缩到引力半径之内,漂亮的容颜彻底褪去,直至彻底消失。


    这时,她的孩子诞生了,是一种无法用肉眼直接分辨的奇异星体——黑洞。


    不过,我的诞生也可能来自某场宇宙交通事故。?#28909;紓?#20004;颗恒星的大打出手,往往会造成星系级的巨大黑洞。


    但不管是诞生于恒星熄火,还是惨?#39029;?#31096;,我既没有继?#24515;?#20146;的?#28872;?#20809;芒,也不像小弟白矮星那样给人?#38706;?#30702;胖的错觉,成了所有人避之不及的恐?#20048;?#28304;。这使得我只能把自己隐藏在宇宙深处,伪装成一团捉摸不透的漩涡,世人要借助专注于X射线和伽马射线的望远镜才能从侧面观测到我的存在。


    这次看到的是我真实样子吗?


    我的引力密度高到光都不能逃脱,按照这种逻辑你们应该看不到我的样子。


    事实并非如此,物质在落入黑洞的时候会激发出大量热量和 X 射线辐射,所以黑洞虽然在可见光波段完全不可见,但在 X 射线天文观测里却像灯塔一样明亮。



    在2017年EHT规划的“?#24405;?#35270;界望远镜”之前,天文学观测已经看到了黑洞的一些边缘证据,?#28909;?#29289;质落入黑洞时,因为摩擦和引力作用形成的高热积吸盘,就像马桶放水时旋转的漩涡,这个漩涡可能比黑洞本身要大得多。


    但物质什?#35789;?#20505;算是正式落入黑洞呢?#24656;?#35201;跨过某个边界,任何物质和信息都不能回头,这个边界就是“?#24405;?#35270;界?#34180;?/p>


    “?#24405;?#35270;界望远镜?#26412;?#26159;科学家不满足只看?#20132;?#21560;盘和辐射,想要看到我的本尊。


    “?#24405;?#35270;界望远镜”是分布在全球的八个观测站组成的网络。之所以需要利用分布在西班牙、夏威夷、南极?#29123;?#20046;覆盖整个地球表面的观测站,是因为人马座 A 超大质量黑洞太远。这个超大质量黑洞大?#23395;?#26377; 400 万个太阳质量,黑洞的“?#26412;丁?#22823;?#38469;?nbsp;2400 万公里,也就是 17 个太阳的大小。



    但在 25000 光年,也就是 24 亿亿公里的距离下,17 个太阳?#26412;?#20063;只是分辨不出任何细节的一个点而?#36873;?#25152;以,利用地球上八个观测站组成网络,就可以利用干涉技术一起观测,最终产生可见的数据。此次观测的数据可能会超过20000 TB,最后利用超级计算机计算数个月,才能得到一张我的“照片?#34180;?/p>


    可以负责任的告诉你们,这次的照片,是接近科学真相的本人图像。


    人类对我的六点误解


    1. 黑洞其实并不黑


    我之所?#21592;怀?#20026;黑洞,是由于光无法逃逸出我的“魔掌?#20445;?#25152;以表面上看是一片漆黑,但这不代表我就是黑的。


    2. 黑洞可以是透明的


    在我的周围,时空的变形非常大,恒星发出的光,虽然有一部分会被我吸收,但另一部分光线会通过弯曲的空间绕过我而到达地球,导致观察到的是我背面的星空,我就像不存在一样,这就是我的隐身术!


    3. 黑洞的异禀是体积小而非质?#30475;?/p>


    我拥有如此怪异特性并不在于质量有多大,而在于体积小。巨大的质量被塞入一个非常小的体积内,就能制造出我。假设太阳的质量不变,如果要把它变成一个黑洞,那?#27492;?#30340;半径就要缩小232,000倍到3千米。



    4. 黑洞引力等效


    把太阳“?#36153;埂?#25104;一个黑洞后,外部引力效应并不会发生改变。也就是说,当你蒙?#31995;?#29699;的双眼,她全然不会察觉牵动她运动的是太阳还是黑洞。


    5. 黑洞自身?#34892;?#36716;,也有非旋转


    就像其他星体一样,我有时候?#19981;?#19981;断转动,我被区分为“非旋转黑洞”和“旋转黑洞?#20445;?#32780;旋转的黑洞称之为克尔黑洞。


    6. 黑洞的毁灭是爆炸


    爱因斯坦质能方程公式表面,能量的损失会导致质量的损失。说明黑洞逐渐消耗能量的同时,也代表质量的损失,它的?#38706;然?#36234;来越高。因此当黑洞质量损失时,它的?#38706;?#21644;发射率会增加,因而它的质量损失得更快。小黑洞则会以极高的速度辐射能量,直至黑洞爆炸。


    我是一个?#21592;?#21448;暴躁的吃货


    很多时候,我是一个宇宙中站在食物链顶尖的吃货。


    我试图把一?#24515;?#21560;引来的东西都纳入体内,并?#37027;?#21507;掉对?#20581;?#36825;种暴食症简直到了丧心病狂的程度,对食物毫不挑剔,从星体到光子,全都可以列入日常?#35828;ァ?/p>


    当我?#25353;?#21981;”时,某个无辜的天体就被“吞噬?#20445;?#24403;我“进食”时,仅有高速等离子喷流从嘴唇边逃逸而出。



    如果说恒?#33108;?#33021;利用核聚变产生的滚滚热浪与周围的伙伴们眉?#30475;?#24773;,黑洞则完全?#35805;?#27861;和朋友交谈。如果哪一天我想找个朋友时,只能通过质量优势,用引力将其它恒星强?#20449;?#24441;在自?#21495;?#36793;,围着自己旋转。?#28909;?#26576;颗星星奋不顾身地前?#20174;当?#25105;,我只会?#35759;?#26041;当成食物,这有点像螳螂新娘。


    在银河系间,一个质量超过1500个太阳的巨型黑洞,正奴役着一颗恒星,使其以6000km/s的速?#28909;?#24049;公转,这速度,比一颗围绕着原子核公转的电子的平均速?#28982;?#24555;。显然,这种陪伴是无声的,不对等的。因为,黑洞辐射出的物质太少,并不能同其它宇宙星体对等交换信息。


    因为没有爱情和友情,我的?#21592;?#30151;越来越严重,用永不停息的进食来抚平心理创伤。我不想再记起任何东西,除了总质量M、总角动量J、总电荷Q这基本的宇宙“三观”之外,我选择了遗忘。当然,我的这个属性也造就了一种科学极简美,即只要人类知道了黑洞的总质量M、角动量J和电荷Q,就知道了?#39029;?#29616;在外的一?#23567;?/p>


    但这种美感也?#33108;?#35884;的,我的母?#33258;?#32463;创造了多元世界,而我却如此简单而粗暴。



    有时候也很温柔


    以上的原因导致很多人认为,谁进入我的领地,一定会万劫不复。


    其实也并不一定,这要看你碰上什么样的黑洞,像我有时并不暴躁。


    举个例子:如果黑洞的妈是一颗史诗级的巨大恒星,黑洞的奇点也将威力无穷,能编制星系级巨大的隐?#25105;隆?#36825;足以使它?#20004;康?#30424;踞在星系中,享受着众多迷人恒星的拥簇和?#25226;觥?/p>


    在地球25000光年外,就静卧着一个?#26412;?#38271;达2400万公里的巨型黑洞。不过,如果把从视界开始的距离都算作黑洞,你会发现,这些巨大的黑洞的平均密度其实和水一样稀薄,那一大团不可见的区域,实际上处于真空状态。小小的奇点,所能撑起的隐?#25105;氯词?#22914;此?#27934;螅?#36275;以使人类的常识失效。



    《星际穿?#20581;?#36825;部电影被科学爱好者?#23460;?#30340;一点就是人进入黑洞之后怎么可能安然无恙,应该早就被黑洞这个大魔王撕成碎片,其实并非全然如此,我有时候就是这么佛系。


    从外观来看,所有的黑洞?#38469;?#19968;团不可见之物,区别仅在于尺寸。但实际上,黑洞兄弟们彼此拥有不同的内核,在隐?#25105;?#19979;展露不同的姿态。



    最简单的黑洞是球对称的史瓦西黑洞,此类黑洞在引力半径rg=2GM/C2处,尽管史瓦西黑洞结构简单,但它也是黑洞兄弟之中最短小精悍、凶神恶煞的。相比之下,转动的克尔黑洞则温柔了一些,猎物很有可能仅仅是被困在黑洞中,而非被吞噬殆尽。被捕获后的猎物将在一片空虚中永远不被消化。天长地久有时尽,黑洞爱恋无绝期。有时候,我们黑洞并非那么残暴。


    你跌入黑洞,会发生什么?


    有了上面的铺垫,我们讨论“你跌入黑洞后,会发生什么”这个问题。


    这里先给你安排一个参照系:你?#21981;分?#39532;的伙伴墨菲。


    她正在黑洞“视界”之外的安全?#27573;?#20869;看着你掉进了黑洞里。


    在你加速冲向视界过程中,墨菲看到你的身体开始拉伸扭曲,有点像梵高的画,你越靠近视界,移动得越慢。


    你可以用闪光?#35780;?#21521;她发送摩斯密码,信息到达她那里需要花费更多时间,因为红移光波被拉伸得越来越慢:“?#19968;?#30528;,我-活-着,我——活——着……”


    当接近视界时,墨菲看到的你像是被人按下暂定键,定格不动了。你的身体还是静止的停留在那里,拉伸后穿过视界表面,就像逐渐升高的高温吞噬着你。



    据墨菲所述,进入黑洞前,拉伸的空间、停止的时间和霍金辐射的火焰已经摧毁了你。


    但事实是什么呢?你飞向黑洞时,途中无风无浪十分顺利,更没有遇到拉伸、减速或灼热的宇宙辐射。


    当你堕入黑洞之后,如果黑洞太小是你的不幸。因为脚部的重力是要比头?#30475;?#24471;多,你会被重力差给?#27627;选?#20294;你很?#20197;?#30340;遇到了一个大黑洞,你正常的活着度过余生,直到在奇点里死亡。(本?#25991;?#23481;改编自:Amanda Gefter)


    最终,我要到哪里去?


    有存在就有灭亡,我也逃不出这样的铁律。


    我在不?#31995;?#36827;食周围辐射时,亦吃下不少无法消化的东西,其中最难消化的就是带?#26696;?#33021;”的粒子。根据信息论,信息相当于?#32418;兀?#40657;洞具备热辐射,其?#38706;?#28385;足公式T=k/2πKB,式中KB是玻尔兹曼常数。


    随着黑洞吞食的负粒子越来越多,黑洞的热辐射也将越来越剧烈,而爱因斯坦的公式E=mc2表明,能量的损失会导致质量的损失。随着热辐射的加剧,黑洞质量折损,黑洞最终在劫难逃,一个十亿?#31181;?#30340;小黑洞,?#38706;?#23558;高达1012度。随着热辐射的加剧,我终将走向生命尽头。



    面对死神的降临,我仍然执迷不悟,试图拉上宇宙一起陪葬。因为随着黑洞质量蒸发而不断丢失,黑洞的?#38706;然?#36880;渐上升,量子隧穿效应加剧。如果黑洞的质量变得足够小,黑洞周围极有可能会产生一个实真空泡。这个实真空泡会急速扩张,最终吞?#28903;?#20010;宇宙。


    我用死亡震慑宇宙,宇宙将我投入炼狱予以反击。在宇宙炼狱里,我的死亡将不是一个瞬间,必须用正在死去的身体偿还生前所犯罪孽。距地球115亿光年外,一个死亡黑洞每年以800km/s速度源源不?#31995;?#21943;涌质量高达400个太阳的物质,永不停息地为宇宙输送能量。


    这时候,我感觉自己的命运,有点像那个推石头的“西西弗斯?#34180;?/p>


    结语:一张照片看不清黑洞


    这是一张迟来的“黑洞”照片,按照EHT在2017年的原本计划,大约在 2018 上半年“?#24405;?#35270;界望远镜?#26412;?#20250;公布最终图像,可直到2019年4月10日,人类才最终将这?#32456;?#29255;“冲洗”完毕,对于天文学和物理学?#27492;擔笆录?#35270;界望远镜”可以成为确认我存在的证据之一,补完爱因斯坦的广义相对论,发现恒星和星系演化的秘密。



    但这只是我的表面形象,人类,你并不能看清真实的我。


    一旦你有机会真的进入到我的黑洞世界,你会发现你根本无法把我的信息传?#32479;?#21435;,只能?#21355;?#22320;被我困在这里。


    我的视界内部与生俱来的神秘与?#30475;螅?#36830;我自己都不知道我真实的模样。


    但我觉得自己并不神秘,相反,拥有自由意志的人类让人羡慕,当你们仰望星空寻求宇宙之秘时,那是一种扑面而来的高贵,在我的视界里,人类才拥有宇宙最核心的奥秘。


    本文来自微信公众号:量子学派(ID:quantumschool),编辑:暗黑菠萝皮,作者:量子君

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