人類首張黑洞照片面世！

2019-04-11 10:36:09 閱讀 224675 本文來源：美啊教育

分享至：

圖片來源：事件視界望遠鏡合作組織

天文學家捕獲首張黑洞照片！4月10日21點，事件視界望遠鏡(EHT)項目主任謝潑德.多爾曼在中國上海向全球宣布。

據(jù)介紹，此次發(fā)布的黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質(zhì)量星系 M87中心的黑洞，其距離地球 5500萬光年，質(zhì)量為太陽的 65 億倍。該圖像的許多特征與愛因斯坦廣義相對論的預(yù)言完全相一致，在強引力極端環(huán)境下進一步驗證了廣義相對論。通過研究這個圖像，人類將揭示出黑洞這類天體更多本質(zhì)。

事件視界望遠鏡項目合作由13個合作機構(gòu)組成，中國科學院天文大科學中心(CAMS) 是其中之一。CAMS由中國科學院國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺共同建立，其中上海天文臺牽頭組織協(xié)調(diào)國內(nèi)學者參與了此次合作。

黑洞其實不太黑？

洞也不是那個洞？

01對黑洞的預(yù)言可追溯到200多年前

黑洞是一類特殊的天體，其附近的引力很強，強到表面上的光也會被吸引得輻射不出來，這個表面就稱為黑洞的視界面。

黑洞這樣的天體的存在可能性，理論上很早就預(yù)言了，John Michell 在1784年11月就預(yù)言了由于引力導致的逃逸速度達到光速時，天體發(fā)的光就輻射不出來，使得天體不能被看到，而只能通過引力感受到的可能性，其計算基于光的微粒假說和牛頓的萬有引力，后來隨著光的波動學說被證實，關(guān)于這種暗天體的討論就沉寂了下去。

直到1915年，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論作為新的萬有引力理論，取代了牛頓對引力的描述，成為現(xiàn)代的引力理論。1919年施瓦西發(fā)現(xiàn)第一個廣義相對論的解析解，從中可以推測出有視界的存在證據(jù)，這種有視界存在的解被稱為黑洞解，后來又發(fā)現(xiàn)了帶電和旋轉(zhuǎn)的黑洞解，其視界結(jié)構(gòu)比施瓦西黑洞更復雜，但這些都是理論推測。

2015年，LIGO激光干涉引力波天文臺第一次探測到兩個黑洞并和的引力波訊號，證實了黑洞的存在。人類第一次觀測到的引力波就是兩個黑洞并和導致的，從此人類對于宇宙空間的觀測在電磁波之外多了一個信道，開始了引力波天文學時代。

黑洞研究對于天文學意義重大，超大質(zhì)量黑洞普遍認為是星系中心引力坍縮導致的，在活躍期間，稱為活動星系核，關(guān)于活動星系核的觀測以及對于物質(zhì)吸入黑洞的吸積過程的理解，構(gòu)成了天文學研究的重要組成。黑洞輻射和黑洞熵的研究則為引力量子理論研究提供了研究平臺，黑洞信息丟失與火墻理論則使得量子信息的研究更加深入。

02黑洞如何形成：都是引力惹的禍

黑洞如何形成的呢？

中國科學院國家天文臺研究員陸由俊對記者說：“目前比較明確的是恒星級質(zhì)量的黑洞是恒星塌縮的遺骸；而大質(zhì)量黑洞則有可能由其它機制產(chǎn)生的中等質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)長大而成。

所有的恒星都是核聚變反應(yīng)爐，在其中，輕元素（主要是氫）聚合成重元素。核聚變過程提供了恒星一生的大部分能量。不過，最終，核燃料耗盡，由中心產(chǎn)生的能量再也無力對抗外殼巨大的重量，引力開始起主宰作用。

1928年，印度研究生薩拉·瑪尼安·錢德拉塞卡乘船來英國劍橋?qū)W習天文學。在來英途中，錢德拉塞卡算出在耗盡所有燃料之后，多大的恒星可以繼續(xù)對抗自己的引力而維持自己——這就是所謂的“錢德拉塞卡極限”，約為1.44倍太陽質(zhì)量。

陸由俊解釋說：“這一值對大質(zhì)量恒星的最終歸宿具有重大意義。一般來說，如果一顆恒星的質(zhì)量不到太陽質(zhì)量的9倍，最終會形成白矮星；9-25個太陽質(zhì)量左右的恒星會演化至超新星爆發(fā)，再最后塌縮為中子星；而約25個太陽質(zhì)量之上的恒星會形成黑洞。”

當這一恒星收縮到某一臨界半徑（“史瓦西半徑”，以德國物理學家、天文學家卡爾·史瓦西的名字命名，他是使用愛因斯坦廣義相對論方程證明黑洞的確能夠形成的第一人）時，其表面上的引力變得如此之強，以至于光線再也逃逸不出去。

根據(jù)相對論，沒有東西能行進得比光還快。如果光都逃逸不出來，其他東西更不可能：所有東西都會被引力場拉回去。這樣，就出現(xiàn)了一個事件的集合或時空區(qū)域，光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達遠處的觀察者——我們將這一區(qū)域稱謂黑洞，將其邊界稱作事件視界。

03黑洞都是來者不拒？有些很“挑食”

據(jù)物理學家組織網(wǎng)4月6日報道，一些黑洞是貪婪的貪食者，吸入大量氣體和灰塵；而其他黑洞則很挑食。

比如，此次EHT任務(wù)的主要目標，位于銀河系中央的“人馬座A*”似乎就很挑食，盡管其質(zhì)量為太陽質(zhì)量的400萬倍，但它的吸積盤卻出人意料地暗淡。吸積盤由氣體、彌散物質(zhì)等組成，圍繞黑洞或中子星轉(zhuǎn)動，遠遠看去，就像一個扁平的盤子。

而此次EHT觀察的另一個目標，即M87星系中的黑洞，則是一個貪婪的食客，其質(zhì)量介于35億至72.2億太陽質(zhì)量之間。它不僅擁有一個非常明亮的吸積盤，而且，它還噴射出明亮、快速的帶電亞原子粒子流，這一粒子流延伸約5000光年。

同樣是超大質(zhì)量黑洞，為什么“貪吃”的程度差別如此巨大？這一問題一直以來都是困擾天體物理學家的難題。

陸由俊解釋說：“原因是不同星系核心的環(huán)境不一樣。有的星系的中心由于受到諸如星系碰撞過程等的擾動，氣體沉積到中心黑洞附近，為黑洞提供了豐富的食物，以至于它們可以大快朵頤；而有的星系中心區(qū)域則比較平穩(wěn)，只有少量氣體能夠到達黑洞附近，使得黑洞不得不淺斟慢酌。”

04只可遠觀：會把人變成意大利面

盡管人們對黑洞的熱情高漲，但其只可遠觀而不可接近，否則，后果很嚴重。簡單來說，如果你和黑洞靠得太近，你就會就像意大利面一樣被拉長。這一現(xiàn)象有個極富創(chuàng)意的名字“意大利面條效應(yīng)”。之所以會產(chǎn)生這種效應(yīng)，是因為人體各處受到的引力大小不同。

如果你兩腳朝下飛向黑洞，由于你的腳離黑洞更近，它受到的引力將比頭部受到的引力要大。更糟糕的是，由于胳膊并非位于身體中心，它們被拉長的方向會與頭部的朝向稍有不同，你身體的邊緣部位會被拉進身體里。最后的結(jié)果是，你的身體不僅被拉長了，而且還變細了。因此，還沒等你（或其他物體）抵達黑洞中心，你就早早地變成了一根意大利面條。

05并非永久監(jiān)獄：信息可從中逃逸

經(jīng)典黑洞理論認為，任何物質(zhì)和輻射都不能逃離黑洞；而量子力學理論表明，落入黑洞的信息可以重新獲取，這個所謂的“信息悖論”已困擾科學界40年。

2016年1月，霍金等人提出：落入黑洞的粒子的信息部分并沒有消失，有些信息會以不同的形式釋放出來，只不過很難還原和破解。

1985年，劍橋大學教授霍金。這一年霍金因為肺炎失去了說話的能力。

其實，早在此之前的2015年3月，霍金就對黑洞理論進行了修改，宣稱黑洞實際上是“灰色的”。新“灰洞”理論稱，物質(zhì)和能量被黑洞困住一段時間后，又會被重新釋放到宇宙中。霍金還指出，黑洞并非“永恒的牢籠”，某些信息會以不同的形式釋放出來。

現(xiàn)在，霍金同哈佛大學的安德魯·施特勒明格和劍橋大學的馬爾科姆·佩里提出了新理論：讓信息“逃逸”的黑洞裂口由“柔軟的帶電毛發(fā)”組成，它們是位于事件視界上的光子和引力子組成的粒子，這些能量極低甚至為零的粒子能捕獲并存儲落入黑洞的粒子的信息，就像人的鼻毛能捕獲灰塵一樣。這意味著，盡管落入黑洞的粒子可能已“有去無回”，但部分信息存儲在這些“柔軟毛發(fā)內(nèi)”，持續(xù)在黑洞邊界逡巡。

霍金解釋說：“我認為，信息不像大多數(shù)人以為的那樣被存儲在黑洞內(nèi)部，而是被存儲在事件視界上。進入黑洞的粒子的信息確實返回到空間了，但采用一種混沌且無用的形式。返回的信息與燒焦的百科全書差不多，從理論上來說，信息并沒有丟失，但很難進行翻譯和破譯。”

在美國《紐約時報》2016年6月8日的報道，霍金用他那著名的機器人聲音說：“黑洞不是人們一度以為的那種永久的監(jiān)獄。如果你覺得陷入了黑洞，不要放棄。有路可逃。”

06終極命運：或隨時間蒸發(fā)殆盡

黑洞的最終命運如何呢？

1973年霍金在彎曲時空量子場論的研究中發(fā)現(xiàn)原來“黑洞不黑”！原本經(jīng)典理論上“一毛不拔”的黑洞在黑洞量子力學中也可以通過一定的機制發(fā)射黑體輻射，這就是霍金輻射！

盡管霍金的這一想法剛提出時受到了普遍的質(zhì)疑，但后來，大部分科學家都得出結(jié)論稱：如果我們關(guān)于廣義相對論和量子力學的其他觀念是正確的，那么黑洞必須像熱體那樣發(fā)射粒子和輻射。

但我們又知道，任何東西都不能從黑洞的事件視界之內(nèi)逃逸出來，黑洞怎么可能發(fā)射粒子呢？量子理論給我們的回答是，粒子不是從黑洞里面出來的，而是從緊靠黑洞的事件視界的外面的“空虛的”空間來的。

霍金在《時間簡史》中解釋稱，“空虛的”的空間充滿虛粒子反粒子對。它們被一同創(chuàng)生，相互離開，然后再回到一起并且湮滅。如果黑洞存在，帶有負能量的虛粒子落到黑洞里可能會變成實粒子或者反實粒子。這種情形下，它不再需要和它的伴侶相互湮滅了。它被拋棄的伴侶可以落到黑洞中去。或者由于它具有正能量，也可以作為實粒子或反實粒子從黑洞的鄰近逃走。