黑洞到底长什么样,40年前就有科学家“画”了出来

2019年到了,我们都希望天文学上能有一个辉煌的时刻。多年来,事件视界望远镜一直致力于为我们带来第一张黑洞的望远镜照片。

事实上,虽然黑洞一直流行于公众的想象中,但我们却从未真正看见过黑洞。原因非常简单。

你看,黑洞实际上是看不见的。它们的引力如此之大,以至于一旦超过某个临界点就再也逃不掉。其中包括了电磁辐射——如x射线、红外线、光和无线电波——等我们用来探测物体的工具。

这个临界点叫做视界,这是一个你永远都不想置身于其中的可怕之处,同时也是对黑洞可视化的一个关键节点。

虽然我们可能无法看到黑洞本洞,但它的视界有可能被拍摄了下来;多亏了事件视界望远镜(EHT),我们马上就能看到黑洞本尊了。该望远镜随时都会发布公告。

但在EHT之前,有位名为Jean-Pierre Luminet的天体物理学家,早在1978年,就已经给我们提供了黑洞视界的第一幅图像。

当然,这不是一张真实的照片,他利用自己数学上的专业知识和相关技术,使用一台60年代的IBM 7040穿孔计算机,首次模拟了黑洞的样子。

Luminet解释道:“在当时,这是一个非常特别的课题,当时大多数天文学家都不相信黑洞的存在。我想要探索黑洞这一奇特的物理现象,并希望能提出一个能帮助我们获得黑洞存在的间接性证据的确切的机制。当然,为了追求双关语,我的名字是‘Luminet’,我非常喜欢这个完全不亮的恒星能产生可观测现象的想法。”

利用计算机所返回的数据,Luminet煞费苦心地用钢笔和印度墨水在底片上手工绘制,仿佛一台人类打印机。

第一张图片就是他的作品,展现了如果我们离黑洞足够近时能看到的落入黑洞的扁平物质的样子。它看起来并不平坦,因为黑洞的强大引力会使周围的光发生弯曲。

Luminet在他的一篇论文中解释道:“实际上,黑洞附近的光线被引力场弯曲的如此之大,以至于圆盘的尾部都被‘暴露’了出来。光线的弯曲也产生了第二幅图像,让我们能站在黑洞的这一侧从观察者的角度,看到吸积盘的另一端。”

Luminet是第一个,但他并不是唯一一个被黑洞的神秘所吸引的人。从那时起,其他人就试图将黑洞可视化,甚至把他们的得出的可视化图像搬上银幕。

《星际穿越》中的黑洞。

2014年Christopher Nolan的电影《星际穿越》因其对黑洞“科学准确”的描述而广受好评。该片在很大的程度上基于Luminet几十年前的研究成果,并与加州理工学院的理论物理学家Kip Thorne共同合作。

最终,该电影选择了一个简化的版本,使观众们能看到一个更漂亮的黑洞。

这确实是令人印象深刻,但这并不是真正意义上的黑洞。

引力场产生的主图和副图是正确的,但和Luminet创作的图像不同的是,电影中的吸积盘的亮度是均匀的。

Thorne和他的同事利用CG技术对黑洞进行了模拟。

Luminet写到:“正是这种光度上强烈且明显的不对称性,便是黑洞的主要特征。黑洞是唯一能够使吸积盘的内部区域具有接近光速的旋转速度并产生非常强的多普勒效应的天体。”

你可能会发现,所有这些版本的黑洞看起来和另外一种类型的黑洞图像非常不同,其中最著名的是2016年LIGO(引力波天文台)所发现的。

法国国家科学研究中心和国际天文学联合会的天体物理学家Alain Riazuelo在2016年首次模拟了这样的黑洞。

这个黑洞与其它的看起来不同的原因是,这幅图像展现了一个静止的黑洞——一个没有吸积盘的黑洞。

除去尘埃和气体所组成的覆盖层,黑洞的引力会扭曲它后面的空间,如果我们离这种黑洞足够近,我们就会被其轨道上的引力捕获,这就是为什么它看起来像是要穿过恒星场。

在两个黑洞同时存在的情况下,就像LIGO视频所示,每个黑洞后面都会出现另一个黑洞的香蕉型次级图像。

EHT一直关注人马座A*,我们银河系中心的超大质量黑洞。

我们不知道我们将会看到什么,也许可能只会返回几个模糊的像素。(如果是这样,将会有更多的望远镜加入这个项目,科学家将会不断尝试。)

在观察中发现,黑洞中有一个吸积盘,我们认为其与Luminet的作品非常相似。

除此之外,这项合作能帮助我们更多地了解辐射的极化作用、磁场的结构和黑洞的相对论喷流。他们已经找到了黑洞周围空间结构的线索。

但EHT最令人激动人心的部分是什么呢?我们完全赞同Luminet的观点。

“吸积盘的照片!”他这样说。我们已经迫不及待了!