既然黑洞不發光,那照片又是怎麼拍攝到的?

黑洞 地球 物理 天文 南極洲 天文在線 2019-05-07

眾所周知,黑洞正是因為不發光而得以“黑”的。黑洞的逃逸速度大於光速,因而事件視界內的輻射無法逃脫。因此照片中央出現了黑色的陰影,倘若我們真的能看見黑洞,就會是那個陰影的樣子。


既然黑洞不發光,那照片又是怎麼拍攝到的?


黑洞附近的關係可能從三四個方向過來,當然取決於你怎麼數了。

一開始,徑直落入黑洞的物質受到黑洞巨大引力的撕扯與肆虐,咯黑洞越近,這種效果越明顯,物質會變得極度熾熱並在所有波段的光譜中發出輻射。為了逃脫黑洞的引力井,輻射會發生引力紅移,高頻輻射的頻率就會變低。

沒有多少物質直接落入黑洞,大多數物質都斜著錯過去,並進入圍繞黑洞的軌道,形成吸積盤:


既然黑洞不發光,那照片又是怎麼拍攝到的?


積累了足夠多的物質後,摩擦愈演愈烈,氣體與塵埃被加熱而開始發光。摩擦同時減慢了物質的運動速度,使它們落入黑洞,並變得更加灼熱與明亮。這就是黑洞發光(準確的說,是黑洞周圍的一圈結構)的另一個原因。

另一些物質本應落入黑洞,但是它不僅錯過了黑洞,而且速度太快,無法維持軌道或者被黑洞吞噬,就會這樣:

物質受到重力場作用而不斷加速,被加熱後,物質在事件視界之上呼嘯而過,並沿著黑洞的自轉軸噴薄而出,形成天文物理學上所說的噴射流。噴射流實際上是速度飛快的等離子體,可以發出包括x射線,伽馬射線在內的各種輻射。


既然黑洞不發光,那照片又是怎麼拍攝到的?


並不是所有的黑洞都同時具備以上特徵;這取決於靠近黑洞的物質有多少,以及物質的運行速度。以黑洞作為伴星的雙星系統中,黑洞可以不斷吞噬伴星,並具備上述的一切特徵。四處遊蕩的獨立黑洞可能擁有稀薄縹緲的吸積盤,幾乎不發出輻射,只有當一小坨物質落入的時候才會發光。

看見來自黑洞的光最後一種方法是引力透鏡,當然不是特別重要。

光會受到引力影響,黑洞不僅會阻止光線從它表面逃脫,也會扭曲遙遠天體發出的光線。

在以上情況中,一個恆星構成的星團扭曲了遙遠星系發出的光,從地球上觀察,就是這個樣子:


既然黑洞不發光,那照片又是怎麼拍攝到的?


在黃色星團周圍的藍圈,就是因星團的“引力透鏡”而被嚴重扭曲,並被彎曲成圓弧形的遙遠星系圖像。

同樣,黑洞也會彎曲背景恆星與吸積盤的光,看起來像這樣:

在與屏幕平行的平面內有一個光環,實際上是與觀察者視線平行的平面上,吸積盤被扭曲的圖像。吸積盤本身是平坦的,但是黑洞後方的吸積盤發出的光受到黑洞彎曲,光線並不是向上發出,而是直衝攝像機鏡頭而來,看起來就像吸積盤彎曲了。


既然黑洞不發光,那照片又是怎麼拍攝到的?


我可不是專家,但是在我看來,事件視界望遠鏡拍攝的是吸積盤的俯視圖,因此沒有光束與亂七八糟的扭曲,就是一個圓環。

最後值得一提的是,嚴格來說,M87的這個黑洞根本不是可見光圖像,而是射電波段的偽彩色圖像,以便讓我們的肉眼凡胎看起來有意義。

負責收集數據,繪製圖像的事件視界望遠鏡如下:


既然黑洞不發光,那照片又是怎麼拍攝到的?


既然黑洞不發光,那照片又是怎麼拍攝到的?


位於阿塔卡馬沙漠,內華達山脈,北極圈,南極洲等地的各個望遠鏡拍攝的數據經過整合加工,成為了本篇文章的第一張圖。

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