黑洞照片为啥是这样子?

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M87*黑洞照片千呼万唤终于露面,新闻多着重于它是如何被拍摄的,很少有解释它为何长这样。本人根据看到的一些报道,试图用“人话”大致说明一下。

照片的基本特征,是在黑暗背景中,一圈明亮的圆环包围着中间的黑暗区域。圆环本身亮度不均匀,与上半部相比,下半部更亮。

从基本的物理知识,我们知道黑洞的强大引力会吸引周围的气态物质聚集。这些气体在落向黑洞时,由于具有角动量,会形成一个围绕黑洞快速旋转的高密度圆盘,称为吸积盘。其中的物质由于互相摩擦产生高温而发光。所谓黑洞照片就是黑洞以发光吸积盘为背景的剪影。照片是用毫米波段射电望远镜拍摄的,因为吸积盘发出的光在这一波段比较“亮”同时大气吸收比较少。当然,人眼是看不到毫米波的,照片的颜色是为了直观而加上的假彩色。

再来看照片,粗略地,可以说明亮的光环就是发光的吸积盘,中心的黑暗区域就是黑洞。光环近乎圆形,说明吸积盘几乎是正好面对我们。这可以与另一个现象互相印证。人们早已观测到,这个黑洞向外喷射着一道5千光年长的喷流,其方与我们的视线有大约17度的夹角,朝向北偏东方向。根据现有知识,可以认为喷流与吸积盘平面垂直。下面这张日晷照片可以近似代表吸积盘(表盘)和喷流(指针)的关系,以及相对我们的朝向。我们看到的亮环就相当于表盘的外缘,近似于圆形。

对照片严格的描述需要广义相对论。由于黑洞的引力透镜作用,即使吸积盘在黑洞后面发出的光线,也可能绕过黑洞而被我们看到。所以亮环实际是吸积盘一个被引力扭曲的成像。中间的黑暗区域也不全是黑洞。真正的黑洞奇点当然很小,即使光线不能逃逸的视界也比这个黑暗区域小几倍。

再来说说亮环为何上下不对称。从以上所述可知,从地球看去,M87*的吸积盘略朝右上方倾斜。假设这个吸积盘是(从地球看去)顺时针转动,由于倾角的存在,其上每一点的切向速度就带有了一个沿着我们视线方向的速度分量。这个分量在圆环的下部是朝向我们而来,而在上部则是背向我们而去。

这个差别造成上下部分发光的频率和强度都有不同。频率的差别就是我们熟知的多普勒效应,下部应该产生蓝移,上部则是红移。由于这次的照片没有观测电波频率的差别,所以我们看不到这种效应。

而光强度的变化相对不那么为人所知。用生活中的现象打个比方,就好像在风中行走,迎着风走感觉风大,顺着风走感觉风小。在黑洞这里当然原理更复杂一些,是一种狭义相对论效应,只有当发光体的速度与光速可以比较时才能感受到,效果是向我们而来的光好像被聚焦,看起来更明亮; 反之,离我们而去的光好像被散焦,看起来变弱。这就解释了照片中圆环上下部分亮度的不同。

最后我们可以想象一下银河系中心黑洞的照片是什么样。与椭球状的M87不同,银河是扁平的螺旋星系,其中心黑洞吸积盘的平面很可能与整个星系的平面一致。从地球看过去,黑洞很像是土星,而吸积盘则像土星的光环。由于上述的引力透镜效应,黑洞周围仍然可能有一圈亮环,中间则被明亮的吸积盘穿过。左右两侧的亮度会有很大不同,究竟哪边更亮,取决于吸积盘转动方向。

xiaxi 发表评论于
谢谢科普,长知识了!
超然看众家 发表评论于
谢谢科普!分享给朋友圈了。
Sophie308 发表评论于
这个科普让人一下就能看懂。谢谢。
红米2015 发表评论于
神秘感越来越少,渺小感越来越强烈。。。
yy56 发表评论于
哈哈,看来我们有相同的兴趣, 宇宙,这个让我们感到渺小而又神秘的庞然大物。
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