夸克科学院:从观察月亮活动学习一点天文知识(下)

上次我们介绍了天文望远镜的三种类型和目前的发展现状,这次我们再来讲点有关黑洞的相关知识吧。这篇文章主要是来回答一下上篇文章提的几个问题:
1、黑洞是什么?
2、黑洞为什么看不见?
3、看不见的黑洞怎么照相?
4、我们国家制造了口径500米的望远镜,为什么没有参与观察黑洞?
黑洞是什么?
理论上,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体,是科学家的一个想象。
黑洞并不是我们明确看到的东西,就像一座山,我们看到了,说“山”。恰恰相反,黑洞是看不见的,人们只能想象出它的存在。
为什么会是这样呢?原因是宇宙里有一些极端的情况,如果不想象出黑洞,是解释不出来的。
那么黑洞到底是如何形成的呢?
所有的恒星都会死亡,恒星的死亡一般会非常剧烈,爆发出极为强烈的灿烂烟火。中等个头大小的恒星会经历超新星爆发,然后核心躯体变成一颗白矮星。大一些的恒星死掉之后会变成中子星。
什么是白矮星呢?就是一种很小、很重的星星。
什么是中子星呢?就是一种更小、更重的星星。
更大的恒星死掉之后会怎么样呢?人类已知的力和物质形态都没法给出答案了,只能说一切物质都会向中心坠落,于是史瓦西猜想,这会形成一种新的天体,叫黑洞。

黑洞都有哪些奇异的天文现象呢?
科学家观察到宇宙中的高能量喷流。高能量喷流就好比是宇宙中有某个机关枪喷射出的连续烈焰,只是能量实在是太高了,比人类所知的最高能现象核聚变所能释放的能量还高。科学家们解释不了,于是猜测一定有一种未知的看不见的天体存在。
但是为了这么这种猜测靠谱吗,科学家们就要努力通过各种实验去探究这个未知天体,证明这个天体的存在,让黑洞“看得见”。
黑洞为什么看不见?
我们看见物体是因为,物体发出的光进入了我们的眼睛。如果一个物体不能发光,也不反射光,而是把光完全给吸收了,就没有任何光线进入到人的眼睛,那么我们是看不见的,呈现在我们面前的就是一个黑体。

黑洞就是没有光发出来的天体,我们看不见,所以被称作“黑洞”。
通常我们能看见黑色物体,因为它的背景是浅色背景。白纸上的黑点我们当然能看见。但宇宙是什么样呢?宇宙本身几乎就是全黑的,只有零星星光。
我们能看见美丽的天空是因为地球有大气层,太阳发出的光经过大气层的散色,很多短波长的光被散色了。波长越短散色越厉害,蓝色光是短波长,因此很大部分的蓝色光被大气散色了,因此我们看到的天空就是蓝色的,而照射到到地面的光就是红色。
如果没有大气层的话,我们看到的天空背景就是黑色,每天就只有一轮明晃晃的太阳划过天空。像这一个全黑背景里看一个黑体,那就是下面这样。你觉得还能看见吗?

而且,黑洞还不是生活中我们见到的黑色物体,而是完全看不见的一种天体。
我们生活中见到的黑色物体,只是在“可见光”波段没有发光,但是在其他波段,还是发光的,也就是说我们用其他光波段的检测仪器是能够看到这些物体的。
比如,我们可以我们虽然在黑夜里看不见一些东西,但是可以通过佩戴夜视仪,就能让夜晚的一切显形。宇宙里的一些天体更是这样,我们可以找到一段光波范围,看到这个天体发的光。

但是,黑洞就不一样了,黑洞是在任何一个光波波段,都不发光。也就是说,我们无论拿哪个光波波段的望远镜去观测,都看不见黑洞。
为什么黑洞有这样的本领呢?
最主要的原因,是黑洞能让所有光线坠落其中。
黑洞就像是宇宙里的一个巨大的陷阱,有谁一不小心踏足进去,就再也别想跳出来,一定会坠到深渊里,连光也不例外。
那为什么黑洞能成为一个深渊陷阱呢?
原因是黑洞引力太大了。
根据科学家的理论,黑洞是在一个极小的范围内聚集了极大的质量,也就是引力极大。爱因斯坦的相对论认为,引力能改变时空结构,让时空形成深渊。这样的深渊就像一个陷阱,连光都逃不出去。
怎么观测到黑洞呢?
在这种情况下,我们该怎样“看见黑洞”呢?
我们可以回想一下生活里的黑色物体。前面说过,为什么我们能看见生活里的黑色呢?原因是背景是浅色。当黑色圆点画在白色纸面上,就能看得清清楚楚。
说到底,“看见”都是相对的。
那如果我们想让黑洞看清楚,该怎么办呢?也许你已经想到了:只要我们让黑洞周围的事物亮起来,中间黑着的部分就能看清楚了。

黑洞周围的事物该怎么看到呢?
高能量天文现象,尤其是喷流,就是让黑洞现身的地方。科学家做出一个猜想模型。他们猜测:当宇宙中的气体物质接近黑洞的时侯,会形成一个气体盘子,绕着黑洞转,叫吸积盘。这个盘子会发出很高能量的光。
此外,随着物质向黑洞方向坠落,在没有掉进黑洞之前,就被黑洞的强磁场抛射出去,一上一下两个方向就是喷流。

这样的猜测或故事靠谱吗?
想知道猜测模型是不是真的,还是得用法宝照妖镜去观察。所幸的是,吸积盘和喷流,用X射线和射电波能大致看到。当我们用高分辨率的X射线和射电波望远镜对准目标星体,就可以大致勾勒出吸积盘和喷流的造型。
到目前为止,所有的观测都支持这个猜测模型。

X射线望远镜Chandra拍摄的宇宙照片
这次的黑洞照片有什么不同寻常?
过去的观测已经在相当大程度上印证了科学家猜测的黑洞模型。但还不是真的看黑洞,只是看黑洞周围发亮的地方,它们还离黑洞还有一小段距离。这就好比桌上有一个黑手机,在黑夜里看不清楚,但如果桌面整体发光,就能大致知道黑乎乎的地方就是手机了。
而这一次是怎样呢?是通过精细的观测,看到了一圈发亮的手机壳。连手机壳都看到了,手机就也算是看到了吧!
黑洞内部我们是永远看不见的,能看到最贴近黑洞的一圈轮廓,已经算是很厉害了。

黑洞引力效应示意图,艺术想象
这一圈轮廓到底是什么呢?
还记得我们前面说过吗,引力太强大,能把时空改变,让光线都弯曲方向。如果在黑洞“视界”(黑洞边界的名称)内,所有光线都逃不出来,全都被引力拉向中央。那在“视界”外呢?光线会被引力弯曲,几乎就要拽到黑洞深渊里,但还没完全拽进去,还是有一些光可以绕着黑洞转,形成一圈亮光。
这就是我们看到的照片上的一圈亮光:黑洞手机的手机壳。

其中有一些不对称的地方,有一侧更亮,另一侧更暗,这是怎么回事呢?这叫“多普勒效应”,是指朝向我们的光看上去能量增强,背向我们的光看上去能量减弱。
这次观测的星系,有什么特殊吗?一点都不特殊。宇宙中有不同尺度的黑洞,恒星形成的黑洞很小,而在每个星系中央,可能都有一个超大质量黑洞,可能和星系形成过程有关。我们银河系和M87星系,都只是很普通的星系超大质量黑洞。
总而言之,这次看到的黑洞,就和科学家的猜想一模一样。

星系中心的超大质量黑洞和喷流,根据观测数据形成的艺术想象
所以,你也许能明白了,这次的照片为什么引起这么多惊叹。
因为这次的照片,和人们预期的一样。
你设想一下:如果你是某个小渔村的村民,没出过远门,只看到远方模糊有一片乌云和高山,你们村子里有个人讲了个远山背面的怪兽的长相。结果有一天,终于有人带来了远山背面怪兽的照片,跟你们村子里那个人说的一模一样!你说惊奇吗?
也许你有一点点get到这张照片为什么令科学家这么激动了。
上面说到的理论:引力影响时空,让光线弯曲,引力足够大会将光线都吸收进肚子里,黑洞的存在,这都是爱因斯坦广义相对论场方程算出的结果。
爱因斯坦就是那个小渔村里看见远山背后怪兽的人啊。
如是,方知伟大。
最后,接近尾声的地方,谈一下这次的观测手段:甚长基线射电阵列。
射电波是所有光波的一种,是波长最长的光波,我们平时的手机通讯、电视和互联网、GPS导航,使用的都是射电波。宇宙中有非常多射电波信号,它是远距离传输被吸收最少的光波之一。
射电波需要天线探测,天线的基线越长,探测的精度越高。而许多射电天线组成阵列,又能得到更加精确的观测。
我们国家500米口径的FAST望远镜为什么没有参与到黑洞的观察,主要有两方面原因。
1、波段不合适
FAST观测的射电波段是0.3M上下,比如中子星以及中性氢等波段都在这个附近。
但此次对黑洞观察所用的波段是1.3MM,当然这是观测分辨率以及黑洞辐射波段的综合考量,因为黑洞几乎辐射全波段电磁信号,但低频明显不合适,高频大气衰减太大。
2、地理位置不合适

这个EHT望远镜要求是整个地球口径,从上图的射电望远镜干涉阵列的地理位置可以发现。除了西半球几乎所有的合乎条件的望远镜之外,东半球一座都没有。
天文探测始终是人类国际合作的结果。这次的探测是全世界八个观测站联合探测,用了几年才做到一次有效观测。
现代科学一直是全球的、全人类的,根本不存在什么东方科学、西方科学,只存在“科学”和“其他”。
最后的最后,谈一点想法。
科学在信念和方法上,与神怪猜想有本质区别。神怪猜想是“怎么说都对”,而科学相信,万事万物是可以用数学描述,并且可以由观测加以验证。这里的数学,指的不是数字计算,而是一种理性的抽象语言。
数学的本质不是计算,而是试图找到普遍性的规律,用抽象原则去描述,用理性加以推导。《自然哲学的数学原理》就是在这个意义上有开创性效果。此外,科学相信观测实验“可证伪”理论说法,永远尊重观测,不相信“信我得永生”的忽悠。
抽象和观测,是科学的核心,也是人类知识真正向前发展的源动力。
这次的照片,是又一次印证。
好了,今天的讲述就到这里了。不知道这样的讲述你能听懂吗?
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