看不清的黑洞
2019-04-11 07:08

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)开始对两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。黑洞正前所未有的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”,也就是我的真实模样。


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?


我的母亲曾是一颗燃烧的恒星,她给宇宙带来百亿年光亮,然而,她的生前越是绚丽灿烂,死后越是晦涩暗淡。



但并不是每一个恒星母亲都能诞生黑洞,我的母亲质量至少超过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。


如果中子星质量大于3.2倍太阳质量,那么中子星还接着向内坍缩,直到中子被压碎。当恒星半径小于史瓦西半径,就会形成黑洞。



母亲怀我的过程非常艰难:随着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。最终炉寒火烬,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。比如,两颗恒星的大打出手,往往会造成星系级的巨大黑洞。


但不管是诞生于恒星熄火,还是惨烈车祸,我既没有继承母亲的闪耀光芒,也不像小弟白矮星那样给人温敦矮胖的错觉,成了所有人避之不及的恐怖之源。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“事件视界望远镜”之前,天文学观测已经看到了黑洞的一些边缘证据,比如物质落入黑洞时,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。


但物质什么时候算是正式落入黑洞呢?只要跨过某个边界,任何物质和信息都不能回头,这个边界就是“事件视界”。


“事件视界望远镜”就是科学家不满足只看到积吸盘和辐射,想要看到我的本尊。


“事件视界望远镜”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、南极等几乎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约具有 400 万个太阳质量,黑洞的“直径”大约是 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 个太阳直径也只是分辨不出任何细节的一个点而已。所以,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”。


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


我之所以被称为黑洞,是由于光无法逃逸出我的“魔掌”,所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量大


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,那么它的半径就要缩小232,000倍到3千米。



4. 黑洞引力等效


把太阳“挤压”成一个黑洞后,外部引力效应并不会发生改变。也就是说,当你蒙上地球的双眼,她全然不会察觉牵动她运动的是太阳还是黑洞。


5. 黑洞自身有旋转,也有非旋转


就像其他星体一样,我有时候也会不断转动,我被区分为“非旋转黑洞”和“旋转黑洞”,而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,它的温度会越来越高。因此当黑洞质量损失时,它的温度和发射率会增加,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。


我是一个自闭又暴躁的吃货


很多时候,我是一个宇宙中站在食物链顶尖的吃货。


我试图把一切能吸引来的东西都纳入体内,并悄悄吃掉对方。这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,全都可以列入日常菜单。


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



如果说恒星还能利用核聚变产生的滚滚热浪与周围的伙伴们眉目传情,黑洞则完全没办法和朋友交谈。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行奴役在自己旁边,围着自己旋转。倘若某颗星星奋不顾身地前来拥抱我,我只会把对方当成食物,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的速度绕己公转,这速度,比一颗围绕着原子核公转的电子的平均速度还快。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,我的自闭症越来越严重,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,就知道了我呈现在外的一切。


但这种美感也是荒谬的,我的母亲曾经创造了多元世界,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形衣。这足以使它傲娇地盘踞在星系中,享受着众多迷人恒星的拥簇和瞻仰。


在地球25000光年外,就静卧着一个直径长达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,所能撑起的隐形衣却是如此硕大,足以使人类的常识失效。



《星际穿越》这部电影被科学爱好者质疑的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,所有的黑洞都是一团不可见之物,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,在隐形衣下展露不同的姿态。



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:你青梅竹马的伙伴墨菲。


她正在黑洞“视界”之外的安全范围内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。


你可以用闪光灯来向她发送摩斯密码,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:“我活着,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部大得多,你会被重力差给撕裂。但你很幸运的遇到了一个大黑洞,你正常的活着度过余生,直到在奇点里死亡。(本段内容改编自: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。


我在不断地进食周围辐射时,亦吃下不少无法消化的东西,其中最难消化的就是带“负能”的粒子。根据信息论,信息相当于负熵,黑洞具备热辐射,其温度满足公式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,一个十亿吨重的小黑洞,温度将高达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,黑洞的温度会逐渐上升,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,最终吞噬整个宇宙。


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速度源源不断地喷涌质量高达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”。


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“事件视界望远镜”就会公布最终图像,可直到2019年4月10日,人类才最终将这种照片“冲洗”完毕,对于天文学和物理学来说,“事件视界望远镜”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送出去,只能牢牢地被我困在这里。


我的视界内部与生俱来的神秘与强大,连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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