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黑洞既然連光線都無法逃逸,那麼照片又是怎麼拍到的呢?

作者:由 時空通訊 發表于 書法日期:2022-08-11

黑洞照片怎麼拍的

黑洞既然連光線都無法逃逸,那麼照片又是怎麼拍到的呢?

黑洞是我們宇宙的極端終極天體,一旦進入黑洞事件視界,所有物質都化為烏有,連光線也無法逃脫,不管從理論上還是觀測上都證明了這一點。

但人類怎麼能夠看到黑洞並把它拍下來呢?前不久科學家們宣佈拍攝到的第一張黑洞照片,向全世界進行了展示,這是的的確確第一張真正照片,絕對不會有假。

那麼這又是怎麼回事呢?其實從我最開頭說的那句話,就可以看出端倪。

那句話中有一句“一旦進入了黑洞事件視界”,關鍵就是這“事件視界”四個字。黑洞無限引力(時空曲率)只是在事件視界內發生,出了事件視界以外,一切物質都還是能夠看到的。

黑洞既然連光線都無法逃逸,那麼照片又是怎麼拍到的呢?

不過由於靠近黑洞,引力已經非常非常大,所有被這個黑洞吸引的星際物質都以極快的速度向黑洞墜落。

而且由於其角速度帶動外圍物質圍繞著這個黑洞極速旋轉,速度有時接近光速,這樣這些星際物質就會碰撞激發出巨大能量和輻射,包括可見光和X射線或伽馬射線。因此人們透過光學或者射電望遠鏡就會發現黑洞周邊一個發著亮光的巨大吸積盤。

黑洞既然連光線都無法逃逸,那麼照片又是怎麼拍到的呢?

這個吸積盤就是人們觀察黑洞的依據。所以黑洞本身是看不到的,但它對周邊的影響是看得到的,人們對黑洞的認識是間接的。

黑洞是大質量天體,因此除了能夠觀測到黑洞的吸積盤,人們還能夠透過黑洞對周邊天體的引力擾動,發現那裡有一個巨大的看不到的引力源,這也是人們發現黑洞的一種方法。

但要拍攝到黑洞,還是依靠黑洞的吸積盤來成像的。因此現在拍攝到的黑洞,並不是黑洞本身,而是黑洞外圍吸積盤發出的輻射。

黑洞照片中心那個露出來看不見的黑呼呼的洞,才有一部分是黑洞形成的事件視界。

黑洞既然連光線都無法逃逸,那麼照片又是怎麼拍到的呢?

黑洞形成的機理就是巨大引力壓力下導致物質向中心坍縮,一直縮到自己的史瓦西半徑以內,就無法阻擋的向中心奇點墜落。

而奇點是一個沒有體積,只有質量和角動量、電荷的超時空點,並對史瓦西半徑產生無限曲率影響,一切進入史瓦西半徑的物質都被無情的吞噬到那個奇點。

所謂史瓦西半徑就是事件視界。所有的物質只要有質量就有史瓦西半徑,但質量太小的物質史瓦西半徑太小,因此史瓦西半徑一般用於研究天體。

史瓦西半徑就是質量半徑的臨界值,只要小於這個臨界值,就會成為黑洞。

計算物質史瓦西半徑的公式為:R=2MG/c^2

其中,R為史瓦西半徑,M為天體質量,G為引力常量(G=6。67×10-11N·m^2/kg^2),c為光速。

黑洞既然連光線都無法逃逸,那麼照片又是怎麼拍到的呢?

根據這個公式計算,太陽的史瓦西半徑約3000米,地球的史瓦西半徑只有9毫米。

也就是說當半徑約70萬公里的太陽所有質量被壓縮到3公里半徑以內時,太陽就會變成一個黑洞;當地球所有質量被壓縮到一個9毫米以內半徑的球裡面時,地球就會變成一個黑洞。

但根據引力場理論,最小的黑洞必須達到3個太陽質量以上,而且這些質量必須在接近史瓦西半徑時(中子星大小時),才會被無限的引力壓力導致物質向中心陷落的態勢,成為一個黑洞。

所以,太陽和地球都不可能成為黑洞。

理論上,在大型強子加速器裡可以製造出人造黑洞,這種黑洞的質量在原子級以下,根據霍金蒸發理論會瞬間蒸發,難以存續。

黑洞既然連光線都無法逃逸,那麼照片又是怎麼拍到的呢?

黑洞一旦形成就會不斷地吸積(吞噬)周邊天體物質越長越大。

現在發現最大黑洞是TON618類星體中心黑洞,質量達到太陽地660億倍;科學家們拍攝到的第一張黑洞照片的黑洞,是位於M87星系中心地巨大黑洞,距離我們5500萬光年,質量為太陽的65億倍。

我們看到這張照片中心有黑色區域,黑洞隱藏其中,周邊明亮的能量輻射是其吸積盤,並非黑洞本身。

就是這樣,歡迎討論點評。

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