地球你好!我是黑洞Powehi!

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July 27, 2020

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地球你好!我是黑洞Powehi!

阅读提示:本文偏长,加框是细节部分,如果不感兴趣,建议跳过。笔者非专业人士,分享一些自己对黑洞照片的解读,敬祈指正。

“将有重大消息!”

4月初,天文学界又一次吊足了全世界的胃口:将在4月10日发布第一张黑洞照片,宣布人类“看”到了黑洞。

现在你也看到了,就是它。

位于室女A星系的黑洞——Powehi。来源:ESO/EHT

这是什么?!甜甜圈吗?看到这张照片之前,一千个科学家眼里有一千个黑洞。现在大概只有这一个。但是甜甜圈吃货的眼中,可能仍然还有一千种很好吃的口味。

这张稍嫌模糊的照片,的的确确是一张——人类史上第一张,黑洞照片!

三天之后,这个黑洞有了一个名字:Powehi

这是一个夏威夷词语,读起来像是“颇微黑”,意思是“华丽的黑暗源头创力无穷”(Embellished dark source of unending creation)。

准确地说,我们看到的是黑洞被它所吞噬的气体包裹起来的样子。画面中央的包裹层本来比较薄,光线(电磁波)又被处于中心的黑洞吸收,留下暗淡的阴影,暴露出黑洞之所在,但这个黑洞本身并不是裸露的。外围光亮是因为这些气体被吸入黑洞的时候不断地旋转加速,达到极高温度而辐射出巨大能量。因为相对论性多普勒效应和引力透镜效应,使得上下部分明暗不同。

为何如此兴师动众?因为百思不如一见。在看到黑洞之前,它的存在与否、它的特征,都是科学家们脑海中的计算和设想,不能坐实。爱因斯坦相对论留下大笔遗产之一不能兑现。而要想看见黑洞,与两年前“听”到引力波一样,不是一般的难。

终于有了这张照片!它与理论设想如此吻合,无疑是件值得科学界狂欢的盛事——

我们看到它了!

真的是这个样子!

在真实照片之前,科学家设想的黑洞艺术图。如果从左上角的位置去看,就是实拍照片中黑洞Powehi的样子。来源:discovermagazine.com

上一次天文学界这么干,是在2017年的10月16日,宣布人类“听”到了引力波。“听”到引力波,“看”到黑洞,这两次煞有介事的宣告,的确是人类科学史上意义非凡的大事。科学和科学家们,再一次向爱因斯坦献上了膝盖。引力波From 极光星语00:0000:01
“啾……啾”,倾听引力波的声音。来源:LIGO
来源:LIGO

那跟我有什么关系?

在这张照片之前,有人信,有人不信世界上存在黑洞,为此争辩却无法定论。此后,这就不再是个问题。

它的意义,不亚于人类第一次用照片证明地球是圆的。

当第一张清晰完整的地球照片呈现的时候,人们才彻底打消疑虑,相信自己确实立足于一个巨大的球体之上。现在世界上仍有一个国际地平说学会。某天他们走过来说,大地是平的,并没有什么地球,你会怎么想?

你会惊愕:这些是穴居人吗?

黑洞亦然。

人们总是相信眼见为实。所以自这张照片之后,黑洞不再只是一个传说,而是常识——正常人的认识。

用过微信的人,都熟悉左边这一幅人与地球的启动画面。右边是1972年阿波罗17号航天员登月途中拍摄的著名的蓝色玛瑙。

黑洞真的是照片上的样子吗?

当然不是。

如果有可能飞到离黑洞适当近的距离,甚至用手机,都可以拍到更加精美壮观的画面,一定不会是这般单调模糊的样子。

我们平常概念中的拍摄,是得到的照片与眼睛看到的一样。但是科学意义上的照片却不是这样。比外观更重要的是目标物的各种性质。我们眼睛的感知非常有限,只是事件信息中非常少的一部分,不足以认识整个事件。

这张照片甚至原本是没有颜色的。因为它并不是光学成像。它只是一种特定电磁波的强度在空间上的分布图,在技术上做了伪色处理,类似于早期的描色彩照。我们常常惊艳于哈勃太空望远镜照片的炫丽,但很少人知道,那些色彩并不真实。

我们现在看到的,是黑洞轮廓结构的图形化,但是它包含了丰富的科学信息,揭开了黑洞的神秘面纱。

什么是黑洞?

黑洞(Black Hole)是个很好理解的词,不需要解释。

1968年,美国科学家约翰·惠勒赋予了这个词以特指的含义——一种天体,具有极大的质量和极小的体积,引力之强让一切接近的东西都被吞噬,而里面的东西包括光线都无法逃脱,是一个看上去没有任何光亮,确切地说是没有任何信息释放出来的无底洞。除了黑洞,没有物体可以完全既不发射也不反射光(或其它电磁波)。

黑洞这样性质的天体,不是因为发现它才研究它,而是根据相对论导出的一种结果的性质,表明巨大质量的物体如恒星或原始气体云团,在引力的作用下会坍缩成为黑洞这样的天体。此后天文学家们一直致力于推测黑洞的各种特征并努力在天空搜寻。直到1971年,科学家们才有所发现——所观测到的天鹅座X-1射电源极有可能是一个黑洞。又经过了很多年,科学界才基本同意这个判断。

黑洞按质量大小分为四类,这是常规的分类方法:

1、超级黑洞,质量在太阳的10万倍以上,其中极端的达到10亿至400亿倍。这种黑洞位于星系中心,形成于星系创始之初的原始气体云团;

2、中级黑洞,质量为太阳的100~10万倍。目前了解很少,成因不详;

3、恒星级黑洞,质量在太阳的3~100倍,成因于20倍以上太阳质量恒星的终极爆发;

4、微型黑洞,原子大小的微型黑洞,目前只是理论上的构想。

我们常说黑洞有多大,往往是说它的尺寸。黑洞的尺寸有个名词叫做史瓦西半径,用以描述黑洞的视界(可见边界)大小。这个大小只与黑洞的质量成正比。所以根据史瓦西半径公式,由黑洞的质量就可以得到黑洞的半径。一个地球质量的黑洞,半径大约只有9毫米,一颗小葡萄那么大。当然,地球甚至太阳都不可能变成黑洞。恒星质量最少要达到20倍太阳,才能最终爆炸坍缩变成大约3.8倍太阳质量、半径不到11公里的黑洞,其它大部分质量都在爆炸中灰飞烟灭了。

背景小故事之一:史瓦西没有蹲在战壕里写相对论论文。卡尔·史瓦西是位杰出的德国天文学和物理学家,在爱因斯坦发表广义相对论的第二年,他就根据相对论方程推导出可能的黑洞的半径公式。他写这篇论文的时候由于染病住在战地医院,而不是某些传奇故事说的是写于战壕之中。他40岁时自愿参加德国陆军,先后在气象站和炮兵指挥所服役,以知识参战。或许他蹲过战壕,也在战壕里做过研究,但不是这个课题。写完这篇论文后不久就英年早逝。背景小故事之二:被忽略了的黑洞假说。早在广义相对论之前120年,英国的自然哲学家约翰·米歇尔于1793年、法国天文学家和数学家拉普拉斯(理科生都学过拉普拉斯变换)在1796年就提出了“暗星”的概念,认为存在一种大质量的天体,令光线也无法逃脱,这与黑洞的性质一致。拉普拉斯在他的《天体力学》中甚至推导出计算暗星大小的公式,与后来史瓦西的公式吻合。由于他的公式立足于光是粒子,遵循牛顿引力的逃逸速度得出,而当时光的波动学说占上风,他认为理论依据不足而放弃,再版的时候从书中删除了这一论点。背景小故事之三:霍金赌局。2017年因为实现引力波探测获诺贝尔奖的美国天体物理学家基普·索恩(著名黑洞科幻片《星际穿越》的科学顾问),与2018年去世的英国黑洞物理学家霍金,在1975年打赌,索恩与当时80%的科学家认可天鹅座X-1是黑洞,霍金赌不是,直到1990年才认输。霍金好赌常输是出了名的,赌注还不可描述——输了给对方订阅一年的色情杂志。其实霍金并非否定那是黑洞,他只是秉持质疑精神,还有就是搞事好玩。遗憾的是,霍金没有活着看到他毕生研究的黑洞的实照。

黑洞Powehi在哪儿?

这个黑洞在哪儿?我们能看到它吗?

黑洞Powehi在天上的位置并不难找。

在北斗七星底下、狮子座尾巴后面不远的地方,有一个大的星系——室女A星系,天文上常称作M87。这个星系在北半球上半年都可以在业余望远镜甚至较好的双筒望远镜里看到。春天,也就是现在,是最佳时机。

Powehi就在这个星系的中心。

黑洞照片发布前10天,我恰好拍摄了这片天区中的星系。

黑洞Powehi的位置。来源:星空模拟软件Stellarium

300mm镜头下,黑洞宿主星系M87与附近星系群照片。@大杨 2019.3.29摄于Chilliwack Lake,Canada

M87星系在天上的大小只有月亮的五分之一,虽不算太小,但是太暗,在最好的夜空下以最好的视力都无法看见。一般的双筒望远镜也只能看到暗弱的灰斑,至少需要一台业余天文望远镜,才能分辨出圆形星系盘。

看到星系不等于看到黑洞。黑洞Powehi的大小只有这个星系大小的一千万分之一,它已经是人类有了解的最大黑洞——66亿个太阳质量(这次黑洞拍摄的另外一个目标——银河系中心的黑洞,只有400万个太阳质量)。比起整个星系的亮度,黑洞更是暗淡,何况还有星系内尘埃的阻挡,无论多么强大的光学望远镜(科幻级别的除外),都看不到它。

现在借助一台星空摄影用的小型赤道仪,普通相机在200~300mm镜头下已经可以拍摄出这些星系。上图中可以容易地看到7个梅西耶天体,M84和M86~M91,以及十来个其它星系。M87编号的由来:18世纪的法国天文学家夏尔·梅西耶在用望远镜观测天空的时候,识别出很多有别于星星的天体,这些天体多数看起来像一团云雾,他把这些目标定位并编号,于1771年和1781年两次发表,共计103个天体,后来人们又增加了7个,称他们为梅西耶天体,冠以梅西耶名字的首字母M。M1~M110是业余天文爱好者的主要观赏目标。
天文爱好者Michael Phillips望远镜拍摄的全部梅西耶天体。来源:维基百科

怎样才能“看见”黑洞?

虽然光学望远镜无能为力,但是,科学家可以用射电望远镜“看到”它。

所以这次“拍摄”的黑洞,不是一般意义上的光影照片,而更类似于超声波数码合成影像。

所谓看见,其实是说分辨。对于人眼来说,能分辨的是光线。一个物体或形状,与它所处的背景有着不同的明暗度,才能被眼睛感知。

黑洞所以被称作黑的洞,意味着里面没有光,你看不到任何东西。如果外面也没有光,背景全黑,那么你就没办法知道它是否存在,等于说你看不到夜空里的乌鸦。

好在大凡超级黑洞的外面,一般并不黑。不仅不黑,甚至比太阳还亮。这是因为在漫长的星系历史中,会有一些恒星运动到黑洞附近,一旦进入其巨大的引力范围,这颗恒星就别想活着离开。它会围绕着黑洞运转,自身的气体被黑洞撕扯吸走,最终完全解体,这就是黑洞吞噬恒星的过程。吞噬过程会在黑洞周围形成一个吸积盘,中心的物质不断地落入黑洞,这种极端天文行为导致极端的能量释放,在垂直于盘面的方向将部分物质加速到近乎光速向两侧喷出。有点像吃肉吐渣,虽然粗暴猛烈,但整个吞噬过程会持续百万年或上亿年。

科学家们设想,黑洞周围可能正在发生着这样的事情:

洞的另一幅艺术想象图,显示黑洞向垂直于吸积盘面方向发出高速喷流。来源:Google图片

如果正在发生着这样的事情,黑洞就是可以被感知的。

实际上,天文学家搜遍了整个天区,并没有能找到可以让我们这样近距离观赏的黑洞。人们不得不将目光投向遥远的深空星系。

为什么要用射电望远镜?

我们的眼睛能看到物体,实际上是在感知光线——可见光。可见光只是电磁波全部波段中的一小部分,其它如收音机、手机、X光透等用到的更多种类的电波,都只能用电子仪器才能解读。它们只是波长不同而已。宇宙中的天体不只是肉眼可见,在其它电磁波段也会呈现出不同的模样。

每种波长的电磁波有不同的传播特性。其中一个重要的特性是穿透障碍物的能力。观测黑洞需要目标足够大,而够大的超级黑洞都位于星系中心,周围有厚密的星际尘埃阻挡了可见光,光学望远镜完全看不到。但是某些波长的电磁波,可以穿透尘埃到达地球。比如这次事件视界望远镜(EHT)拍摄黑洞,摄取的是1.33mm波长的电磁波信号。在这个波段,星际尘埃几乎是透明的。

无线电波“看到”的景象与我们眼睛看到的有很大的不同,虽然是个缺憾,但是它有特别的好处。除了穿透尘埃,还有一个可见光所没有的优势,就是有办法分辨更微小的目标。

天文学上一般用视角(单位是度、分、秒)来描述天体的可视大小和望远镜的分辨能力。全天空为360度。作为参照,月亮的大小大约是2000角秒,哈勃望远镜的能力大约是0.1角秒。也就是说,哈勃望远镜可以分辨月亮上200米大小的物体。我们的目标,黑洞Powehi,只有月亮大小的五千万分之一。设备分辨要求达到至少20微角秒(5万分之一角秒),意味着即使没有尘埃阻隔,哈勃望远镜要想分辨这个黑洞,至少要提高五千倍的能力。

哈勃望远镜拍摄的M87星系,蓝色的飘带是中心黑洞Powehi发出的喷流。从这张照片可以知道光学望远镜的极限,但是它揭示了一个特征明显、角度合适的黑洞的存在,为这次实拍提供了选择。来源:NASA

以目前的技术原理条件,光学望远镜没有希望,射电望远镜才有可行性。这就是事件视界望远镜(EHT)的任务。

EHT征用了全球各处8台射电望远镜(多台望远镜可以提升灵敏度),组成等效口径为地球直径的望远镜阵列,实际达到了20微角秒的角分辨率(月亮大小的一亿分之一)。

这个精度是多大?可以这样比拟:如果你从月亮上看地球,用哈勃望远镜可以分辨出一座体育场,EHT可以分辨出观众手中一只橙子上的纹理。

事件视界望远镜(EHT)构成与分布。来源:BBC

无论光学望远镜还是射电望远镜,本质一样,都是接收电磁波,只是技术方案不同。提高分辨力的办法只有两种:一是加大望远镜的口径,对于2.4米镜面的哈勃而言,至少要增大到12公里,目前技术条件看不到希望;二是选择更大的波长,对于哈勃同样口径的望远镜,要选择波长大于2.5mm(可见光波长是0.0005mm)。由于技术精度的限制,实际达到的分辨率总比理论值要小很多。即使按理论值,也仅仅能把黑洞与其它天体分辨出来,获得的照片相当于一团光斑。要分辨黑洞本身的细节,还需要数千乃至数万倍的提升。因为EHT任务的最佳波长是1.3mm,没有提升空间,所以还需要尽可能增大口径。提升口径,除了直接增大镜面尺寸,还有一种间接方法:分布式等效口径。简单说来就是,如果在两个地方各架设一台小口径望远镜,同时对准同一个目标,将得到的信号精确叠加(这是技术关键,也是黑洞照片拍摄只用了几天,完成却用了两年的原因),那么有效口径将等于两台望远镜之间的距离。在地球上这个距离最大可以达到地球直径——13000公里。这种等效口径的方法对于光学望远镜来说,目前技术上还不可行,但是射电天文学领域早就在这么做了。黑洞照片的成功,鼓舞了科学家们。他们将走得更远,突破地球的限制,去太空组网。可以期待,黑洞的样子将会变得越来越清晰、精致。

为什么选择遥远的M87?

黑洞按质量大小分为四种。以这次拍摄的黑洞Powehi为参照,恒星级别的黑洞,质量只有它的数亿分之一,距离最近的天鹅座X-1,虽然距离近了7000倍,可见大小仍然只有Powehi万分之一的量级,所以这种级别的黑洞不在候选之列。中级黑洞质量可以达到10万倍太阳质量,如果在10万光年内距离,也就是银河系以内,就有可能。但是理论上银河系不太可能有、目前也没有发现这样的黑洞。剩下的只有质量在数十万倍以上的超级黑洞。

基本上每个星系的中心,都有一个超大质量的黑洞。比如我们的星系中心就有一个质量400万倍太阳质量的黑洞——半人马座A*黑洞。从可视大小比较,它比Powehi大一半,也的确是这次EHT黑洞拍摄任务的两个目标之一。EHT同时拍摄了这两个黑洞,但银河中心黑洞还没有结果,料想难度比Powehi大很多,因为地球与银河中心有着密集的恒星和星际物质,阻挡了电磁波。M87星系看起来是圆的,意味着正面朝向地球,阻挡要“薄”很多。

其它星系的选择原则也类似。距离要够近,朝向要有利,排除之后所剩无几。

结语

科学总是在孜孜以求地探索求真,揭开大自然的幻妙。仍然会有人说,这个世界上还是有很多科学不能解释的神奇。也会有人问,连光都逃脱不了的黑洞都已经看到了,还有什么是科学看不到的吗?

我想想……有!

——上帝!

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2019.4.26

In To The Night

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