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黑洞照片为什么都是红红的?银心黑洞:它会吞噬掉整个银河系吗?

2022-05-13  星辰大海种花家

2022年5月12日21点,银河系中心黑洞照片发布,这是几乎北半球中低纬度以及南半球的毫米波望远镜接力“拍摄”下来的黑洞照片,也是人类历史上第二张黑洞照片!

黑洞照片为什么都是红红的?银心黑洞:它会吞噬掉整个银河系吗?

为什么又是红红的照片?

相信各位应该是有些审美疲劳了,因为这张照片看起来和2019年4月10日发布的黑洞照并没有差多少,也就是红红的底色,中间一个黑色区域,不用问这也知道红黄色的是吸积盘,黑色区域中心就是事件视界。

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《星际穿越》中的黑洞实在是太壮观了,所以当年期待M87*也有那样的震撼的场景,但显然让大家失望了,因为事实上的黑洞照就是红红的。

黑洞:光都跑不出去的怪胎

WIKI中文版对黑洞的描述是这样的:“时空展现出极端强大的引力,以致于所有粒子、甚至这样的电磁辐射都不能逃逸的区域。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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这个所谓的光逃不出去的区域,如果是史瓦西黑洞的话那么指的就是史瓦西半径,用第一宇宙速度公式也可以计算出,在黑洞的史瓦西半径内逃逸速度大于光速,因此黑洞从理论上来看它应该漆黑一片,那又是如何拍摄到照片的呢?

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因为黑洞强大的引力,让它对周围的物质都虎视眈眈,因此外围会有大量物质掉入吸积盘,在向中间掉落的过程中被压缩,物质的原子被激发,从吸积盘的外围到视界,分别释放出从电磁辐射到伽马射线不等的辐射。

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这就是黑洞能被探测到的其中一个重要原因(引力透镜也可以探测黑洞存在),这也是人类可以用EHT(事件视界望远镜)对其成像的主要原因。

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所谓的红色成因是这样的:物质在掉落吸积盘后被压缩激发的光谱中其实是全频段的,但由于强大的黑洞引力,这些光谱都被极度红移,就像宇宙膨胀出现的红移有些类似(原理不一样,一个是引力红移,一个空间膨胀红移),但结果类似,变成了红光。

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星系红移

所以我们看到的黑洞照片就是红红的?

其实这个答案是错的!因为EHT拍摄的根本就不是可见光,这才是“红光”真正的原因,从如下这副图中可以看到,EHT用来“成像”的是至少可以观测230GHZ,波长是1.3毫米的波段!

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很显然,这是是一个高频电磁波的波段,人类的肉眼无法感知这种“极低频”的光,所以我们根本就看不到EHT望远镜成像的照片。

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那么问题来了,那个黑洞照片是咋个来的?其实就是一张“假”照片,将不同频率的电磁波段以通道的形式输入可见光通道,合成出一张彩色照片!

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巴德的2英寸LRGB滤镜,直径50mm左右

这个方法深空摄影爱好者经常用,方法是用滤光片拍摄好多个通道后导入合成一张彩色的深空照,其实大家看到的深空照就是灰灰的,没啥颜色,这个事情连NASA都是这么干的。而不同频率的电磁波就像是滤光片拍摄后的数据,对应导入合成一张“伪彩色”黑洞照。

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为什么不用光学望远镜拍张真正的彩色照片?

射电望远镜取得的照片是“伪彩色”,那么光学望远镜直接拍摄不就是真彩色了么?

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所见即为所得,这是我们理解的拍照的样子,但事实上给天体拍照却不是这样,因为直接成像的天体照片看起来就是黑白两色,因为天体本身非常暗淡,尽管发出的都是全色波段,但在底片上表现出来的就是黑白照!

哈勃的那些天体彩照是如何拍摄的?

其实哈勃的CCD前面有各种滤光镜,拍下多个可见光波段后再通过导入对应的滤光后拍摄的图像合成,这也是各位天文爱好者拍摄深空图像的方法,基本上深空摄影爱好者至少也得有三个通道的滤光镜,然而哈勃的滤光镜就多了,不用怀疑,詹姆斯韦伯的也很多:

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请注意滤光轮

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拍摄的多个波段

不过光学望远镜却无法对银心黑洞成像,原因很简单,因为银心目标太小了,尽管它的质量高达太阳的400万倍,其视界直径为2400万千米,但在2.6万光年外的地球看来这个视角仅仅为50微角秒,如图:

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而是M87*黑洞质量为太阳的65亿倍,事件视界半径为390亿千米,5500万光年外的地球来看,更是低至40微角秒,大家都知道哈勃的极限分辨率大约为0.1角秒,这个微角秒是什么概念呢?

1°(度)= 60′(角分)= 3,600″(角秒)=3,600,000毫角秒=3,600,000,000微角秒

比哈勃极限分辨率还要低5个数量级,这根本就是强人所难嘛!大家都知道,口径与分辨率直接相关,假如要看清银心黑洞,光学望远镜要多大呢?

黑洞视界直径/距离=1.22*波长/望远镜口径

以可见光550纳米为例,要看清楚银心黑洞的望远镜口径大约需要:6.877千米口径,而对M87*进行成像,那么光学望远镜需要8.95千米口径,显然人类还造不出这样的望远镜,这也是使用甚长基线干涉来“组建”EHT阵列的原因。

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它的原理是将来自不同天文望远镜的观测信号收集后进行联合处理,使其组成一台口径相当于多台望远镜之间距离的虚拟射电望远镜,但这种技术需要精确的原子钟同步信号,记录信号间的时间延迟差,然后再经过超级计算机的处理成一个“合成图像”。

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银心黑洞:它会吞噬掉整个银河系吗?

银心是个黑洞被证实了,就像《三体》中的哈勃二号看到了半人马座南门二星系周围的尘埃带中的1000根刷毛,确定了规模达1000艘宇宙飞船的三体舰队正以1%的光速赶往地球一样,那么这个质量可以增长到无限大的黑洞究竟会不会吞了银河系呢?

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黑洞:它是怎么诞生的?

黑洞应该是宇宙最为怪异的天体,它的诞生以目前的科学理论来看,来自于两种可能,一种就是宇宙诞生的时刻,分布密度过高的区域直接坍缩成了黑洞,超大质量的黑洞与微型黑洞据信都来自这个时刻,这些黑洞被称为原初黑洞。

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另一种则是恒星型黑洞,它们来自大质量的恒星坍缩,可能会经历超新星爆发,也可能大质量恒星直接坍缩为黑洞,这种黑洞的质量不大,但有个下限,也就是说至少要大于奥本海默极限质量才可能探索成黑洞。

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中子星的合并也可能诞生黑洞,黑洞之间也可以通过合并成为更大的黑洞,但质量却不是1+1=2,而又大量的能量会变成引力波释放,这也是LIGO和VIRGO检测到黑洞引力波的理论来源。

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除了黑洞合并以外,黑洞还会吞噬周围的质量成长,而对于黑洞来说,它可能永远都吃不饱,比如目前发生的最大黑洞TON 618,其质量可能高达太阳660亿倍,整个银河系的质量尽管0.8–1.5×10^12倍,但能经得起几个TON 618的吞噬?

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黑洞不怕:最怕的是流浪的微型黑洞

黑洞有多可怕,不妨先了解下黑洞到底是怎么吞噬物质的!网上有一张比较有趣的图,将黑洞分为危险区、安全区,如下:

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尽管看起来有些牵强,但也算是表达了黑洞的“势力范围”到底是怎么分布的!黑洞因为其超强的质量扭曲的时空,物质会在这个时空陷阱中环绕,最终螺旋形坠入黑洞的视界,视界处环绕速度为光速,视界内逃逸速度超过光速,视界外理论上仍然是可以逃逸的。

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吸积盘就是黑洞吞噬周围的物质形成的,坠入吸积盘的物质应该是不太有机会逃出黑洞了,那么从理论上来看,整个银河系都将坠入黑洞?尽管理论上确实有可能,但现实中却不会发生:

1、黑洞的物质吞噬率很低;

2、存在足够环绕速度的天体不会被吞噬;

据5月12日晚的黑洞“发布会”上,上海天文台副台长沈志强称银心黑洞的物质吞噬速度大约为每年10^-8个太阳质量,不止到笔者有没听错,请各位指正下。沈志强称这个数据与理论数据拟合度很高,按这个速度,银河系吞噬完毕也是天荒地老了。

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另一个需要了解的是,无论多大质量的天体,在某个位置,它一定有一个环绕速度和逃逸速度,那么我们可以简单的计算下,在太阳系的距离上,逃离银心黑洞Sgr A*需要多大的速度:

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环绕速度:4.6千米/秒

逃逸速度:6.57千米/秒

笔者偷懒了,直接在网上找了个计算器,算出来就是这个速度,而目前太阳系在银河系中的运行速度高达220千米/秒,显然这已经远远超过了银心黑洞的逃逸速度,绝对不会掉进去的,但问题是太阳似乎也没逃离?

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当然这个问题有几个答案,一个是银心并非只有一个黑洞,还要核球以及周围旋臂的质量也要算在核心质量内,但据天文学家称,即使把这个质量也算上,银心还是拖不住太阳,科学家解释称,银河系中还有大量我们看不到的暗物质产生的引力。

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因此各位大可不必担心银河系会被黑洞吞了,反而要担心银河系为何还没有散架,毕竟目前计算出来的速度太快,已经需要暗物质来解释了。

最担心的是流浪黑洞

显然银心黑洞不足为惧,但假如一个微型黑洞,比如像一个只有木星质量大小的微型黑洞,视界直径大约在6米左右,这种类型的黑洞很难被发现,一个它不发光,另一个在宇宙空间中也没有明显的吸积盘,因此它从奥尔特云进入柯伊伯带的过程中也许是静悄悄的。

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这种状态下只有引力透镜才能才能发现,并且这个黑洞需要刚好经过地球和某颗恒星的中间时候才会被发现异常,全天区那么大,它来自何方估计只有鬼才知道了。

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一旦它进入到能干扰到柯伊伯带彗星类天体运动时,内行星就要遭殃了,因为大量的彗星可能会受到扰动进入大椭圆轨道运行,这将会给地球带来很大的撞击风险。

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如果这个黑洞继续进入环绕太阳的轨道,那太阳系就永无宁日了,也许太阳都有可能被它吞噬,行星轨道也会因黑洞的进入而受到扰动,估计到那会,人类除了从太阳系搬家外没有别的好办法。

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不过这个桥段在《撤离地球》这部伪纪录片中已经演示过一次了,只是在《撤离地球》中闯入太阳系的是一颗中子星,显然中子星要比黑洞质量小,但因为它是个发光体,比黑洞要更容易被发现,因此至少人类能获得足够久的预警时间,制造巨型方舟逃离地球。

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