黑洞的第一张照片即将公布,我们该关注哪些问题?

作者: Zwicky

来源: 原理

发布日期: 2019-04-09

天文学家即将公布黑洞的第一张照片,这不仅是一次视觉盛宴,更是一次科学探索的重大突破。文章详细介绍了黑洞的分类、事件视界望远镜(EHT)的工作原理及其对黑洞观测的重要性,并探讨了此次观测可能解答的科学问题,如广义相对论的验证、吸积盘的形成机制以及黑洞喷流的产生原因。

一直以来,天文学家都一直梦想着能够“看见黑洞”。在不懈地努力下,这个梦想即将成真。正如夜空中的星星具有不同的类型一样,黑洞也可以根据它们的大小和质量而被分为几类:原初黑洞形成于大爆炸之后,大多数都非常小,质量较低的那些可能已经蒸发殆尽,质量较大的可能依然存在——不过我们还没有发现它们的踪迹。恒星级黑洞:在大质量恒星的生命末期,最终会形成一颗黑洞。

大多数恒星级黑洞的质量介于5到10个太阳质量之间,但有些则比太阳质量高出几十或上百倍。超大质量黑洞:这些黑洞的质量要比太阳质量高出几百甚至数十亿倍,它们栖居在星系的中央。这些黑洞是如何形成的依旧是天文学中最大的谜题之一。中等质量黑洞:质量介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间。天文学家已经发现一些可能的候选,但还没有确凿的证据表明它们存在。

事件视界望远镜(EHT)是一台由世界各地的射电天文台组成的望远镜,它的分辨率相当于使用了一台尺寸为地球般大的虚拟望远镜。2017年4月,EHT对准了宇宙中的一对引力怪兽:一个是银河系中心的超大质量黑洞人马座A*,另一个是位于M87星系中心的超大质量黑洞。经历了漫长的数据分析,终于,EHT将在4月10日公布“突破性”的结果!

在这历史性的一刻到来之前,我们需要知道的是,此次的意义不仅在于我们即将看到黑洞的第一张照片,还意味着我们或许即将揭开一些已让我们困惑许久的谜题。所有人关心的第一个问题自然是:黑洞究竟长什么样子?如果一切都如广义相对论的预期,那么我们看到的黑洞图像将会是:一个圆形“剪影”被一圈明亮的光子圆环所围绕。观测黑洞的剪影非常重要,因为它的形状和大小是由爱因斯坦的广义相对论所决定的。

科学家渴望在黑洞这样极端的引力环境下,检验广义相对论的有效性。一些其他试图替代广义相对论的引力理论预言了稍微不同的形状。因此,确定黑洞剪影的确切形状,或许能帮助我们打破理论物理学中最令人沮丧的一个僵局——广义相对论与量子力学之间的矛盾。广义相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱,广义相对论适用于质量巨大且引力作用很强的物体,比如黑洞;量子力学则控制着亚原子粒子的奇异世界。

但这两种在各自领域都非常成功的理论却互不相容。所以,有些东西必须放弃。如果广义相对论在黑洞的边界处失效,这或许会为理论物理学家指明前进的方向。当人们想到黑洞时,脑海中浮现的画面可能就像是一个巨大的吸尘器,它能吸走附近所有的物质。事实上,黑洞确实会通过吞噬附近的物质而成长,但物质落入黑洞实际上是相对困难的。

如果物质与黑洞保持了一定的距离,那么它们可以只在引力的作用下一直绕着黑洞旋转,就像太阳系中的行星绕着太阳旋转一样。因此,如果要使物质能被黑洞吞噬,那么除了引力外,还需要其他的东西让它足够地靠近黑洞。这个过程被称为吸积,它是由摩擦力驱动的。当物质以气体的形式落入黑洞时,它会失去引力能,并因摩擦而受热。气体会在黑洞周围形成一个热盘,并落入黑洞,从而导致黑洞生长。

由于黑洞是如此巨大,但同时又如此致密,物质需要放弃许多能量才能落入。因此超大质量周围的一些吸积盘异常明亮,其亮度可以超过其宿主星系中所有恒星的总和。在银河系中心的人马座A*周围有着相对较暗的吸积盘,其亮度只有太阳的几百倍。EHT的一个关键目标,就是理解为什么相比于宇宙中其他的一些明亮黑洞,我们星系中的黑洞如此暗淡。另一个悬而未决的问题是:是什么产生了使黑洞可以成长的摩擦力?

通常情况下,摩擦是由原子间的相互碰撞引起的,但超大质量黑洞周围的气体非常稀薄,原子间很少发生碰撞。因此必然存在一些更复杂的机制引起了摩擦,从而使吸积盘可以形成。一个主要的假设是,旋转的磁场产生了一种特殊类型的湍流,从而使吸积盘能以一种类似摩擦的方式在耗散能量,而不需要原子间的直接碰撞。然而,这种湍流从未在实验中观测到过。

通过拍摄黑洞周围的吸积盘,EHT将进一步验证这一假设,并将更好地理解使吸积盘形成和黑洞成长的过程。一些黑洞是贪婪的饕餮,它们吸入大量的气体和尘埃;而另一些黑洞却是挑剔的吞噬者。没有人知道是什么原因导致了这种差别。人马座A*似乎属于挑剔的那一类,虽然质量高达400万个太阳质量,但它却有着出奇暗淡的吸积盘。而EHT的另一个观测目标——M87星系中的黑洞,就是一个贪婪的吞噬者。

它的周围不仅聚集着一个明亮的吸积盘,它还会发射出一束明亮、快速的带电亚原子粒子喷流,可以延伸到5000光年的距离。许多其他黑洞产生的喷流比整个星系还要长、还要宽,可以从黑洞延伸到数百万光年之外。那么问题来了:什么东西会如此强大,能够将这些喷流发射到如此遥远的距离?如今在EHT的帮助下,我们终于可以追踪到底发生了什么了。

EHT对M87星系中心黑洞的测量将有助于估计它的磁场强度,而天文学家认为,黑洞的磁场强度与喷流发射机制有关。当喷流接近黑洞时,对喷流性质的测量将有助于确定喷流的来源——它到底是在吸积盘的最内部,还是在吸积盘中更远的地方,又或是在距离黑洞自身更远的地方。这些观测结果还可能揭示出,喷流是从黑洞自身的某些部分发射的,还是吸积盘中快速流动的物质发射的。

由于喷流可以将物质带出星系中心,带向星系之间的区域,因此喷流可能会影响星系的生长和演化,甚至会影响恒星和行星形成的位置。无论明天最终的结果会是什么,都将是划时代的。让我们拭目以待!

UUID: 91a54d0b-b4c1-4608-848e-1327cd5df860

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/原理公众号-pdf2txt/2019年/2019-04-09_黑洞的第一张照片即将公布,我们该关注哪些问题?.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0058 元