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    超美!一起来欣赏最新的NASA可视化黑洞

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      牛顿

      黑洞事件视界的首次直接成像是科学创造中令人印象深刻的壮举,但实现它有极大的难度,生成图像的分辨率也相对较低。

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      美国宇航局戈达德太空飞行中心/杰里米·史尼特曼 图源:sciencealert

      科技和工艺在不断得到完善,预计未来黑洞的直接成像质量也会随着时间推移而提升。美国国家航空航天局(NASA)为“黑洞周”(Black Hole Week)制作的新可视化文件,展示了我们可能期望看到的在高分辨率图像中的一个积极增长的超大质量黑洞。

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      图解 : 模拟大麦哲伦云前方有黑洞的影像图。请注意重力透镜效应产生两个高度扭曲的星云图像。在顶端出现被扭曲成弧形的银河盘面

      超大质量黑洞坐落在大型星系的中心,没有人知道它们是如何到达那里的;是先有黑洞还是先有星系?这也是宇宙学里一个复杂的问题。

      我们知道的是它们真的十分巨大,是太阳质量的数百万或者数十亿倍;它们可以控制恒星的形成;当它们醒来开始进食时,它们可以成为宇宙中最耀眼的天体。几十年来,我们还弄清了它们的一些奇怪动态。

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      黑洞的第一个直接图像,M87*(EHT合作) 图源:sciencealert

      实际上,最早的黑洞模拟图像是使用1960年代的穿孔卡IBM 7040计算机算的,并由法国天体物理学家让·皮埃尔·鲁米内特(Jean-Pierre Luminet)于1978年手工绘制,看起来仍然很像NASA的模拟。

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      IBM 7040 图源:computerhistory

      在下方这两个模拟图像中,你可以在中间看到一个黑圈,那就是事件视界。在该点,电磁辐射、光、无线电波、X射线等的速度也无法从黑洞的引力中逃离。

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      让·皮埃尔·卢米内特 图源:sciencealert

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      美国宇航局戈达德太空飞行中心/杰里米·史尼特曼 图源:baidu

      黑洞的中间是围绕其旋转的吸积盘的前部,就像水进入排水管那样。它通过摩擦产生了强烈的辐射,我们可以用望远镜检测到这部分——这就是在M87*图片中我们所看到的。

      在事件视界周围我们可以看到光子环,一个完美的光环。黑洞周围有大片光线,光实际来自黑洞后面的吸积盘部分,但由于强引力的作用,即使是在事件视界之外,它也会扭曲时空,并使光路径绕黑洞弯曲。

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      图解:能层是在事件视界外的南瓜型区域,在这儿的物体不能维持稳定。

      同时我们还可以发现吸积盘的一侧比另一侧更亮。这种现象称为相对论光束,是由吸积盘的旋转引起的。吸积盘朝我们移动的部分更亮,因为它接近光速。这种运动所产生光波长的频率变化,称为多普勒效应。

      因此,离我们远去的一面是暗淡的,这个运动具有相反的效果。

      “很明显,这种视亮度的极不对称性是黑洞的主要特征——唯一能使吸积盘内部区域具有接近光速的旋转速度且产生非常强的多普勒效应的天体。”卢米内特去年在一篇论文中写道。

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      超大质量黑洞 图源:baidu

      诸如此类的模拟可以帮助我们理解围绕超大质量黑洞的极端物理原理,同时,也有助于理解当我们看M87*图片时我们看到的是什么。

      相关知识

      黑洞(英语:black hole)是时空展现出引力的加速度极端强大,以至于没有粒子,甚至电磁辐射,像是光都无法逃逸的区域。广义相对论预测,足够紧密的质量可以扭曲时空,形成黑洞;不可能从该区域逃离的边界称为事件视界 (英语:event horizon)。

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      图解:对非旋转黑洞外观的预测,已经提出会出现带电粒子物质的环状环,如同人马座A*的模型。由于抗衡黑洞的强大的引力需要极高的轨道速度产生的巨大离心力,不对称是多普勒效应造成的结果。

      虽然,事件视界对穿越它的物体的命运和情况有巨大影响,但对该地区的观测似乎未能探测到任何特征。在许多方面,黑洞就像一个理想的黑体,它不反光。此外,弯曲时空中的量子场论预测,事件视界发出的霍金辐射,如同黑体的光谱一样,可以用来测量与质量反比的温度。在恒星质量的黑洞,这种温度高达数十亿K,因此基本上无法观测。

      参考资料

      1.WJ百科全书

      2.天文学名词

      3. MICHELLE STARR- Plusone

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