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我们会在有史以来第一张黑洞照片上看到些什么呢?

厦门大鹭网| 2019-4-11 09:12| 查看: 3892| 评论: 0|来自: 凤凰网| QQռ| | |

摘要:   “视界望远镜”会呈现一个什么样的黑洞?    “视界望远镜”拍到的照片会是这样的吗?Andrew Chael  人类可能很快就会第一次看到黑洞的真容。参与“视界望远镜”项目的科学家宣布将在4月10日发布一个“突 ...
  “视界望远镜”会呈现一个什么样的黑洞?
  
  “视界望远镜”拍到的照片会是这样的吗?Andrew Chael
  人类可能很快就会第一次看到黑洞的真容。参与“视界望远镜”项目的科学家宣布将在4月10日发布一个“突破性成果”。人们期待这一成果已经有2年,而它也许就是一张黑洞的照片。
  我们不知道4月10日究竟会看到怎样一张照片。但科学家对于黑洞的外观,其实已经有很多想法。天文学家多年来一直在用计算机,基于物理学定律和基本的假设,来模拟“奇点”附近的景象。黑洞的真容,或许会与这些模拟出来的景象之间存在一些关联。
  
  M87星系中心超大质量黑洞模拟图。右图可能会更接近于真实照片。Andrew Chael
  这两张图片是哈佛大学天体物理学家Andrew Chael制作的。图片模拟了M87星系中心的超大质量黑洞。左图是模拟景观,右图同样也是,但右图加了更接近现实的考虑,还原了光线在真实的宇宙中被星际气体、尘埃吸收和散射的必然命运。“视界望远镜”拍到的照片,可能会更接近右图。
  
  银河系中心超大质量黑洞“人马座A*”模拟图。最左边的图是纯粹的模拟,而另外三张加上了光线被散射后的效果。Astrophysical Journal
  这一系列图片,模拟的是银河系中心超大质量黑洞“人马座A*”。同样,最左边的图片呈现的是未受星际介质影响的视觉效果,右侧三张呈现了受尘埃散射后的效果。第三和第四张图片呈现的,则是在特殊滤镜协助下,尘埃散射效应被部分消除后的效果。
  这些黑洞模拟图中的亮环是黑洞的积吸盘。物质聚集在黑洞周围,会以黑洞为中心,在黑洞的赤道面上,形成一个扁平的圆盘。这些物质会环绕黑洞运行,逐渐靠近黑洞,并在此过程中加速,直至变得极为明亮。
  如果积吸盘侧对着观测者,或有一定的角度,那么它的一侧会显得较为明亮,另一侧会较暗。原因就是这些物质的运动,会产生多普勒效应,导致积吸盘物质面朝观测者方向运行而来的部分发出的光线波长被压缩,频率变高,展现在照片中,一般会显得较为明亮;而背朝观测者方向而去的部分发出的光线,波长会被拉长,频率会变低,展现在照片中,会显得较为昏暗。
  照片正中的黑色空洞就是黑洞本人了。所谓的“奇点”就在这个空洞中。黑洞由于引力极大,因此其势力范围边界以内的光线根本无法逃离。这个黑色空洞的边界就是所谓的“视界”。
  在我们看到的这些图片中,最接近真实效果的,可能是那些冲击力最小的版本。原因很简单,因为这些黑洞距离我们太远了。银河系中心的黑洞距离我们有26000光年,M87中心的黑洞距离我们有5500万光年。拍摄它们,相当于在地面拍摄月球上的一个苹果。所幸由全球各地众多望远镜联合而成的“视界望远镜”,其相机的有效面积相当于我们行星的圆面。
  但是即便如此,“视界望远镜”也只是刚刚足够拍到这两个黑洞。基于真实条件的模拟结果显示“视界望远镜”拍到的可能只是一道模糊的光环。但对于科学家来说,即便是这样的一张照片也足以令人兴奋,因为这可能将是我们第一次看到黑洞的真容。事实上,直到今天,虽然黑洞是科幻作品、新闻报道中的网红,但它实际上还只是一个理论假说。虽然LIGO已经通过引力波探测,感知到了黑洞的合并,但这与我们亲眼看见一个黑洞并不是一回事。
  “视界望远镜”的照片一旦公布,天文学家不但有机会比对他们的模拟与现实有多大差异,而且还将通过这张照片,获得大量与奇点周围极端引力环境物理学规律有关的无价数据。
  模拟本身对于“视界望远镜”获得最终的照片也非常重要。因为“视界望远镜”的各个天文台并不能无缝地覆盖全球,在数据中必定存在着不完善和空缺,以及不确定性。因此计算机模拟在这里可以起到一种指导作用,让研究人员在处理一张从来没有人见过的照片时,拥有最合理的预见性。

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