NASA稱,天文學家認爲這個超大質量黑洞的質量約爲太陽質量的600萬倍,位于約3.75億光年之外的星系,該星系與銀河系大小相似。而被吞噬的恒星則與太陽大小類似。(本期無音頻,後續補充,後文有問題回答,請耐心看)。
恒星不斷接近黑洞:
黑洞將恒星撕碎成粉末:
黑洞撕裂恒星
這一現象被稱爲“潮汐破壞事件”(tidal disruption event),恒星必須非常靠近黑洞才能發生,因此十分罕見。研究人員表示,在銀河系大小的星系中,這種宇宙事件每1萬到10萬年發生一次。由于宇宙中有數十億個星系,科學家們多年來已經觀測到大約40次這樣的“宇宙大屠殺”,只不過,想要捕捉畫面很難,這次觀測結果是“迄今爲止對這一現象最詳細的觀察”。
俄亥俄州立大學天文學教授克裏斯·科查内克(Chris Kochanek)驚歎道,能在視線範圍內發生這樣的事件是多麽幸運。他這樣比喻此事的罕見程度:“想象一下,你站在市中心的一座摩天大樓頂上,你從樓頂扔下一顆石頭,你想讓它從井蓋的洞裏掉下去。這比那更難。”
所以黑洞撕裂恒星的事件非常難發生,或者說不是所有黑洞附近的物質都會被吸進去。下面我們解答有關視頻裏的幾個問題。
(一)黑洞裏面有什麽?
黑洞的産生過程類似于中子星的産生過程:恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收縮,發生強力爆炸。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止,被壓縮成一個密實的星球。
但在黑洞情況下,由于恒星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去,中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾爲粉末,剩下來的是一個密度高到難以想象的物質。由于高密度而産生的力量,使得任何靠近黑洞邊界的物體都會被它吸進去,就連光都無法逃離。
黑洞邊界充滿了能量,邊界的量子效應産生了熾熱粒子流,並向周圍的宇宙空間輻射開來,這就是所謂的“霍金輻射”,這是以著名物理學家史蒂芬·霍金名字命名的。在足够长的时间内,黑洞将辐射消耗完自身的全部质量,并随之消失。
“簡單來說,黑洞就是引力引起的坍縮。”,“我們的物質是由電磁力支撐的,引力大到一定程度,連電磁力都抵抗不住了,物質就坍縮,極端的情況就是黑洞。”
由于人們無法直接觀察到黑洞,物理學家只能對它內部結構提出各種猜想。天體物理學家認爲,黑洞中並不是空空如也,而是充滿了大量的物質,不管物質的來源如何,它都會被推擠到一個密度無限大的點上。
這個點便叫做“奇點”。事實上,奇點的體積無限小、密度卻無限大。奇點周圍有一塊黑暗區域,也就是黑洞的尺寸,是由它所産生的引力大小來衡量的。離黑洞很遠的時候,光可以像往常那樣自由穿梭,照亮它途經的天空。
而靠近黑洞後,引力變得越來越大,最終,即使跑的像光那樣快也無法逃離黑洞的引力。這就是爲什麽奇點四周有一塊黑暗區域的原因。那個由于引力巨大以至光線也無法逃脫的邊界,我們叫它“視界”。
天體物理學家表示:“要知道黑洞裏面是什麽,我們需要有什麽東西從視界裏出來,並讓我們用望遠鏡看到。對天文學家來說,要找到這樣一個東西,最簡單的就是光,不過黑洞連光都逃不出,因而我們無法獲得任何信息。”
(二)黑洞是怎麽“看到”的?
雖然科學家們看不到黑洞的本體,但可以一直追溯到光子消失的“視界”,這是我們能“看到”的極限。
黑洞周圍的確會存在一些發光的現象,比如黑洞在吃掉周圍的恒星時,會將恒星的氣體撕扯到身邊,形成一個旋轉的吸積盤。黑洞有時候也會“打嗝”,一部分吸積氣體會沿轉動方向被抛射出去,形成噴流。吸積盤和噴流都會因氣體摩擦而産生明亮的光線,以及其他頻段的輻射。
也就是說通常我們只有在它吞噬恒星的時候才能發現這個無形的巨無霸。
上圖是首次黑洞“照片”,我們看到的圖像是黑洞由于引力會吸積物質到它附近並且會發出強烈的輻射,並且周圍有吸積盤環繞。吸積盤非常熱且亮,發光的是吸積盤炙熱的氣體,與黑洞對比明顯,因此可以通過觀測吸積盤來爲黑洞拍照。這次的照片就是這樣拍的,黑洞的事件視界就越大,也越適合成像。
(三)什麽是吸積盤?
(黑洞可視化的各部分)
這個視頻向我們展示了黑洞的重力如何扭曲恒星的光線和物質,及其周圍的宇宙空間和物質的。可視化效果模擬了黑洞的“外觀”,請記住實際我們在宇宙空間中看不到黑洞,並且宇宙空間中的“上下”和地球有重力的內部的三維空間的“上下”不一樣。
這些落入黑洞的物質和光線能量積聚在一個又薄又熱的結構中,稱爲吸積盤(accretion disk)。
吸積盤是一種由彌散物質組成的、圍繞中心體轉動的結構(常見于繞恒星運動的盤狀結構)。比較典型的中心體有年輕的恒星、原恒星、白矮星、中子星以及黑洞。在中心天體引力的作用下,其周圍的氣體會落向中心天體。假如氣體的角動量足夠的大,以致在其落向中心天體的某個位置處,其離心力能夠跟中心天體的引力相抗衡,那麽,一個類似于盤狀的結構就會形成,這種結構就叫做“吸積盤”。
黑洞吸積盤理論基礎,來自黑洞無毛定理。1973年霍金、卡特爾(B. Carter)等人嚴格證明了“黑洞無毛定理”無論什麽樣的黑洞,其最終性質僅由幾個物理量(質量、角動量、電荷)唯一確定”。即當黑洞形成之後,只剩下這三個不能變爲電磁輻射的守恒量,其他一切信息(“毛發”)都喪失了,黑洞幾乎沒有形成它的物質所具有的任何複雜性質,對前身物質的形狀或成分都沒有記憶。其實這是一種消繁歸簡的命名原則!于是“黑洞”的術語發明家惠勒(J.A. Wheeler)戲稱這特性爲“黑洞無毛”。
(四)任何物質都會被黑洞吸進去嗎?
黑洞周圍的“引力場”那麽強,豈不是只要有東西出現在周圍都會被吸進去?事實上,就像地球繞著太陽轉而不撞進太陽一樣,上面咱們也說了,黑洞撕裂恒星的事情是很小概率的,就像是你站在摩天大樓上扔一塊石頭剛好掉進下水井蓋的洞裏,黑洞周圍的物質只要有一定的角動量,一時半會就不會掉進黑洞,而是繞著黑洞轉,這一點看過星際穿越的朋友應該明白,黑洞是有“視界”範圍的,這個範圍就是上面視頻和圖中那個黑圈圈,一旦進入“視界”範圍就回不來了。下圖是一張描述比較詳細的黑洞吸積、噴流、輻射的示意圖:
重力使得盤中的物質沿螺線被吸附至中心體;角速度的不同則使得物質進行著角差轉動。而引力場使得物質被壓縮,同時激發出電磁輻射。被激發出的射線頻率取決于中心體的形式。
(五)爲什麽黑洞在旋轉?
首先黑洞本身會有自旋,而黑洞——吸積盤這個體系是有某個恒定角動量的,而吸積盤中物質摩擦會導致吸積盤釋放輻射損失能量。角動量要恒定,能量還要減小。物質流向太空的時候,黑洞旋轉會減速。黑洞之所以能夠旋轉,就是物質從吸積盤流入黑洞的時候,它吸收了角動量,因此黑洞擁有了更快的旋轉速度。
英國杜倫大學天文學家Chris Done最新研究中,天文學家利用更直接的方法計算了黑洞的旋轉速度。他們發現了一個質量是太陽1000萬倍的具有約1.5億秒差距的黑洞。利用歐洲空間局的XMM-牛頓人造衛星,他們聚焦于更微弱的、由吸積盤直接釋放的低能X射線——而非鐵譜線。
這些X射線的譜形提供了有關吸積盤最內部溫度的間接信息,反過來,這種物質的溫度與其同黑洞表面的距離,以及正在旋轉的黑洞的速度都有直接的關系。計算結果顯示,黑洞正在最多以86%的光速旋轉。
你看上面這張圖,隨著磁場在氣體的攪動中纏繞並扭曲,明亮的“結點”不斷在吸積盤中形成並消散。最靠近黑洞的位置氣體以80%左右的光速運轉,而外部速度則相對慢多了。這種速度差拉伸並出現了這些明亮的“結點”,在吸積盤中産生了或明或暗的路線,這是非常多的層累,也就是說這裏面還摻雜了非常多的恒星物質、宇宙物質和能量輻射等。
從“側面”看,在黑洞周圍的氣體湍流呈現出神奇的雙峰狀外觀。黑洞改變了空間的扭曲程度進而改變了來自吸積盤不同部分的光的路徑,並且光線也會受到太空中被黑洞吸引來的其他物質的影響光路,從而在視界外邊産生這種扭曲的圖像。側視時扭曲的程度最大。
有沒有發現一個問題,爲什麽黑洞視界“底下”的輪廓和“上面”的輪廓不對稱呢?看下圖,星際穿越中的黑洞圖標注的位置也是不對稱的。還有邊緣爲什麽虛化了?而且旋轉的時候“左右”亮度不一致?
靠近黑洞的地方,引力的效應如此強,以至于吸積盤底面的光被彎曲到上面,看起來像勾勒黑洞輪廓的光環。這個所謂的“光子環”(photon ring)實際上由多個環組成,這些環繞黑洞兩次、三次、甚至更多次,光環逐漸變暗變細,到後來我們的眼睛根本看不到這樣尺度的光線了。
從外部某人的角度來看,這種光線變化會導致圖像變形。從吸積盤邊緣觀看時,失真效果最明顯。
因爲在這個可視化中建模的黑洞是球形的,光子環從任何角度看起來幾乎是相同的圓形。光子環內部是黑洞的陰影,面積大約是事件“視界”的邊界(即使是光也逃不出來)的兩倍大小。
給大家看一個數據圖,可能更容易理解,
上圖不是吸積盤的照片。光中間黑色的影像,黑洞事件視界的“影子”。
這是亞毫米波信號圖,此圖中的光亮部分並不是吸積盤的影像,而是黑洞周圍物質(吸積盤、射流)發出的光子在黑洞引力影響下的分布狀況,受黑洞旋轉和觀察角度的影響遠大于發光物體本身的旋轉。在接近俯視的時候主要的光來自黑洞背面的射流。如果想要了解詳細內容可以點擊閱讀原文查看專業論文。圖來自論文。
(六)吸積盤左右光線爲何忽明忽暗的不均勻?
黑洞自旋轉加上吸積盤的旋轉,官方的解釋是:從側面看,吸積盤的左邊看起來比右邊更亮。這是因爲左側的發光氣體在快速向我們移動,所以相對論使其亮度提高;
右側則相反,因爲這一側的氣體離我們越來越遠,所以看起來略微變暗。如果我們從吸積盤正上方看(視頻最後有上面的展示),這種不對稱性便會消失,因爲從該角度,我們的視線上沒有物質在左右移動。
據NASA稱,盤上似乎勾勒出黑洞的部分實際上是環的底面。這也是由于黑洞的引力引起的極端彎曲。從任何角度觀看時,外觀看起來都是相同的。這也就是爲什麽視頻中最後是從上面給大家觀看一下的原因。在宇宙空間中“上下”、“左右”和“前後”不是我們地球上的這種重力環境下的生物感受。
NASA戈達德太空飛行中心的Jeremy Schnittman解釋說:像這樣的模擬和片段確實幫助我們形象化了愛因斯坦所說的重力扭曲時空結構的含義。直到最近,這些可視化還僅限于我們的想象力和計算機程序。我從沒想過有可能看到一個真正的黑洞。
(七)一個人掉進黑洞後怎樣?
黑洞自身所帶有的許多神秘色彩令人猜測,如果人掉入黑洞,究竟是會被立即撕成碎片,還是會安然無恙毫發無損?《三體》死神永生中掩體紀元的高way掉進去人造黑洞的場景我印象深刻。
其實這個問題沒人知道答案。也許掉入黑洞並不一定意味著死亡,你的命運或許會變得比你想象中的更加神奇、怪異,因爲在一個場景裏你已化爲灰燼,而在另一個場景裏,你還好好地活著。
這啥意思?這就是靠理性推理出現的悖論,也就是二律背反,理論物理學發展到現在的一個無法解釋。
假設了一個例子,你的同學叫艾AA。當你進入黑洞視界範圍內,也就是掉入黑洞時,她正處于安全的範圍,而且親眼目睹你掉入黑洞的恐怖的一幕。
當你向黑洞的邊界不斷加速掉落時,因爲引力的梯度變化太大,艾AA會看到你首先被潮汐力拉長成一根意大利面,然後變成一團虛無。
此外,當你距離黑洞邊界點越近,你前進的速度看起來就會變得越來越慢,在她眼中,你就像凝固住了一樣,靜止在那裏,沒有任何動作,身體沿著邊界不斷拉伸,並被火焰吞噬。
然而,換成你自身的角度來回顧整個過程,上述神奇的事情並沒有發生。當你向黑洞不斷加速前進時,你沒有任何碰撞或不安的感覺,當然沒有拉伸、變慢的變化和可怕的烈火炙烤。那是因爲你正處于自由落體運動過程中,你沒有感受到任何重力。
從艾AA的角度來看,因爲量子物理學的核心宗旨是信息永遠不能丟失。任何一點點能夠描述你存在的信息必須要留在黑洞邊界之外,否則物理學定律將會失效。而從置身黑洞之中的你來說,沒有遇到熾熱粒子流或任何非正常事物也是事實。否則,你將違背了愛因斯坦論證的廣義相對論。
因此,物理學定律讓我們得到一個似乎非常荒謬的結論。物理學家將這種矛盾的結論稱爲“黑洞信息悖論”,即人掉入黑洞必須同時具備兩種狀態,即黑洞外的一堆灰燼和黑洞內的活生生的人。
美國物理學家李奧納特·苏士侃于1990年找到了解決這一悖論的方法。他認爲,這一悖論並不存在,因爲沒有任何人看到過自己的克隆版本。艾AA只看到了那個化爲灰燼的你,你也只看到了存活的自己,你和艾AA永遠無法將這兩個“你”進行對比,也沒有第三者同時看到黑洞內外的你。因此,沒有任何物理學定律會被打破。除非你要求必須弄清楚哪個故事是真實的,你究竟是活著還是死的。
黑洞告訴我們一個重要的秘密,那就是沒有所謂的“真實”。“真實”取決于你在問誰,既有艾AA認爲的“真實”,也有你認爲的“真實”,而你倆不可能交流,並且沒有第三方觀察者可以同時看到黑洞內外的你倆。
(八)研究黑洞有什麽意義?
黑洞對宇宙有著極爲重要的影響,宇宙的未來有兩個,其中一個就是巨大的黑洞使得宇宙再次終結,回歸一個奇點。然而最新的理論表明,黑洞也會慢慢蒸發,蒸發的方式是霍金輻射,大體意思就是:在”真空”的宇宙中,根據海森堡不確定性原理,會在瞬間憑空産生一對正反虛粒子,然後瞬間消失,以符合能量守恒。
在黑洞視界之外也不例外。斯蒂芬·威廉·霍金推想,如果在黑洞外产生的虚粒子对,其中一个被吸引进去,而另一个逃逸的情况。如果是这样,那个逃逸的粒子获得了能量,也不需要跟其相反的粒子湮灭,可以逃逸到无限远。在外界看就像黑洞发射粒子一样。
這個猜想後來被證實,這種輻射被命名爲”霍金輻射”。由于它是向外帶去能量,所以它是吸收了一部分黑洞的能量,黑洞的質量也會漸漸變小,消失;它也向外帶去信息,所以不違反信息定律。所以宇宙的命運現在更大可能是走向撕裂。