tdmazi 发表于 2023-8-3 19:26:47

为什么黑洞会有照片呢?

新闻说 2019 年 4 月 10 日公布人类首张黑洞照片。但是黑洞不是无法发光吗?一种说法是通过被吸引的物质的观测间接观察。像隐形人打你一巴掌,虽然看不到隐形人,但是你看到被打巴掌的你,但是这样不是只能证明黑洞存在但却无法刻画黑洞的样子吗?这次的照片又是是怎么回事呢?希望有大牛能浅显的解答!

pincai 发表于 2023-8-3 19:27:36

太专业会听不懂,简单的来说,大多数物质并不是直接撞到黑洞上面的。

http://pica.zhimg.com/v2-3a24664341fbb027f88ab4ee6122f2a1_r.jpg?source=1940ef5c
我们看到的是物质在接近黑洞时转圈时的轨迹。

glayivan 发表于 2023-8-3 19:28:29

黑洞照片拍的并不是“黑洞”,拍到的是黑洞周围的吸积盘。拍摄的是亚毫米波段,而不是可见光。
黑洞的事件视界当然是没法直接拍到的,但可以拍摄到它周围的吸积盘发出的光。

http://pica.zhimg.com/v2-7a365633094fbefc36e2832330732945_r.jpg?source=1940ef5c
这张照片里面外面的红色部分就是吸积盘发出的光;中间的黑色区域不是什么事件视界的影子,只是这个区域的名字叫黑洞阴影(black hole shadow)而已。



图片中的虚线表示的grazing photon sphere就是黑洞照片的阴影部分,unstable photon sphere是黑洞的光子球,最外面的圆innermost stable circular orbit是黑洞的最小稳定圆轨道,最里面的黑色实心圆才是事件视界。

basd 发表于 2023-8-3 19:29:07

题目谈到的“黑洞照片”是用人可以看到的颜色表示的亚毫米波信号图,其光亮部分并不是黑洞本身或其吸积盘的影像,而是黑洞周围物质(吸积盘、射流)发出的光子在黑洞引力影响下的分布状况,受黑洞旋转和观察角度的影响远大于发光物体本身的旋转。在接近俯视的时候,主要的光来自黑洞背面的射流(发布照片的直播上已经有示意动画展示)。数学计算可以参照这篇论文。



在照片登场七年半前对M87射流状况的预测,图片来自上述论文

顺便说,这张照片的主角是光中间黑色的影像,黑洞事件视界的阴影。它并不是事件视界本身。

[*]称之为“黑洞阴影”在一定程度上突出了这阴影的特异性,但并没有将阴影的由来讲得更清楚。这阴影不是“对着你的事件视界的这一面”,而是同时看到事件视界的所有面,近乎无限次。
物理上的推导可以参照 Veritasium 在黑洞照片发布前发布的视频:

Veritasium:如何理解黑洞的照片
https://www.zhihu.com/video/1420646159232335872
黑洞周围的气体、吸积盘、相对论性喷流可以发出电磁波,并在黑洞的影响下呈现特定的模式。这是 M87 在可见光下的样子:



2.为什么会有吸积盘
吸积盘是角动量守恒的产物,不限于黑洞,落入大质量物体引力场的气体都会形成此类盘状结构。太阳系今天的构造也是原始星云在引力坍缩过程中围绕质心旋转,上下的动量互相抵消而逐渐扁平化的结果。
关于黑洞旋转的力学可以看这里:
Researchers clarify dynamics of black hole rotational energy2011 年,哈勃望远镜第一次借助引力透镜拍摄到吸积盘。类星体的吸积盘通常有 1000 亿千米的直径。

mianyang0831 发表于 2023-8-3 19:29:13

简单来说,能给黑洞拍照片是因为吸积盘。


这就是人类第一张黑洞照片,来自M78……不对,是M87星系。实际上,M87中心黑洞位于图中亮环中心的黑色圆状区域,毕竟是“黑”洞嘛,而周围的亮环就是M87中心黑洞的吸积盘。由于多普勒效应,圆环并不对称,更亮的部分的等离子体速度朝向我们。
由于黑洞引力巨大,会俘获其周围的等离子体,这些被俘获的物质只有少部分会落入黑洞视界,大部分由于自身存在角动量,且距离黑洞较远,最终会围绕黑洞旋转,形成吸积盘。吸积盘内的物质会不断摩擦,导致吸积盘温度上升,使俘获的一部分物质势能转化为热能辐射出去,从而可以被我们观察到。因此,虽然我们看不到黑洞,但我们可以看到吸积盘。
实际上,吸积盘一直都是我们观察黑洞的重要证据之一,除此之外,我们也有其他间接证据:

[*]观察其周围恒星的运动,即引力的情况;
[*]观察引力波,即黑洞的形成及运行造成的时空涟漪;
[*]观察喷流。
像本次拍摄的“模特”,M87中心黑洞早先就被观察到有喷流现象。关于喷流产生的机制仍不清楚,目前的猜想是被黑洞俘获的等离子的磁场随等离子体向黑洞旋转靠近,形成螺旋结构,一些未坠入黑洞的等离子体有可能顺着磁力线改变方向离开黑洞,并被磁场准直加速,形成高速等离子流,从黑洞附近喷射而出。


这次能够直接“拍摄”到照片是因为我们利用甚长基线干涉测量技术,将位于全球各处的8座射电望远镜,组合起来形成了一座相当于地球大小的虚拟射电望远镜,分辨率达到了20微角秒,因此成功拍摄到了这张照片。而到目前为止,两个黑洞视界分辨率最高的天体就是银河系中心黑洞和M87中心黑洞,其黑洞视界角大小分别约为7微角秒和10微角秒,后者就是今天的主角,照片中的亮环大小约为40微角秒,因此,这张照片非常难得。
参考文献:
吴庆文.首张黑洞照片诞生——谈黑洞的前生今世.自然杂志,2019,41(03):157-167.
左文文.认识黑洞的首个直接“视觉”证据.物理,2019,48(05):277-283.

mtdwo 发表于 2023-8-3 19:29:53

不请自来。
其他几个答主的回答是认真的吗...不过我也知识浅薄,如果有错误的地方请纠正。
首先,黑洞会使连电磁波(包括可见光)这样快的存在都无法逃逸出去,因此我们确实是看不到它的。
其次,那张照片也并没有错,因为它并不是黑洞的单独照片,而是黑洞在“进食”时的写照。
而照片中,红色圆环中间黑乎乎的地方正是让光线都逃逸不出去的黑洞,而那块区域也被称之为“事件视界”。
至于那个红色圆环,得从黑洞诞生以后开始说起了。黑洞生来便会开始吸引附近的物质(一般是星系中的气体)过来,并将它们吞噬。如果吸引的物质过多,来不及吞噬,那么它们就会在黑洞外堆积成一个圆盘,“排队”等待黑洞来吞噬它们,这个就被称之为“吸积盘”。所以其实我们看到的都是这个东西。
晚点再想想有没有需要补充的-。-
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