100 年前的 1919 年,爱丁顿远征西非观测日全食,验证了爱因斯坦的预言:质量确实可以令时空弯曲。
52 年前的 1967 年,惠勒第一次提出「黑洞」一词,用以指称一种只在理论上存在的,极端致密、令时空无限弯曲的天体。
2019 年 4 月 10 日,我们终于亲眼目睹黑洞存在的直接证据:横跨地球直径的 8 台望远镜强强联手,组成史诗般的「视界面望远镜」,奉上了人类的第一张黑洞照片——
视界面望远镜拍到的 M87 星系中心黑洞照片一个世纪的求索,我们终于等到了今天。
轻舟既过万重山,犹忆往昔峥嵘岁月稠。
——现在请让我们一同回顾,这张必将载入史册的珍贵影像,经历了怎样漫长的百年酝酿。
目录:
一、爱因斯坦叕对了
二、黑洞真的存在吗
三、给黑洞画张素描
四、给黑洞拍张照片
五、意中意外视界面
爱因斯坦叕对了
1915 年,爱因斯坦用他天才的物理直觉,提出广义相对论,颠覆了人类对时空本质的认知。
我们可以借惠勒之言概括广义相对论的精髓:「时空决定物质如何运动,物质决定时空如何弯曲。」
宇宙万物,原本被认为只是广袤时空舞台上的演员,在广相的世界里,却成为舞台本身的建构师。
广义相对论给出很多重要的预言,其中很多在刚问世时,都显得过分光怪陆离,让人不敢相信。
然而 100 年来,这些预言逐一获得实验和观测的证实,让爱氏取得物理学史中至高无上的地位:
广义相对论预言,大质量天体会让周围的时空发生显著弯曲,背景星光行经此处,会随着时空的弯曲而被偏折。
1919 年,英国天文学家亚瑟·爱丁顿和同事,分别率领一支远征队赶赴巴西和西非,利用日全食的宝贵时机,测量太阳附近恒星的位置——对比星图,他们发现这些恒星的位置似乎稍微远离了日面,而且远离的幅度符合广义相对论的预言。
Memoirs of the Royal Astronomical Society LXII, Appendix Plate 1这是爱因斯坦提出广义相对论之后,第一个专门为验证广相预言而实施的重要观测。结果一出,立刻让爱因斯坦名声大噪。
当天体质量更大、弯曲星光的效应更明显,中间的大质量天体就仿佛一个汇聚光线的凸透镜,让背景光源呈现扭曲、放大的多个虚像。广义相对论预言的这种现象,被称为「引力透镜」效应。
而引力透镜成像在宇宙中已经被广泛发现:
形形色色的强引力透镜效应现象「爱因斯坦环」(哈勃望远镜拍摄)1974 年,美国天文学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒,使用当时世界上最大的单口径射电望远镜,位于美国波多黎各的 305 米阿雷西博望远镜,发现了一颗位于双星中的毫秒脉冲星。
广义相对论预言,两个天体相互绕转时,会由于搅动时空、发出引力波而损失轨道能量,让两颗星之间的距离趋于衰减。
两位天文学家发现,这颗脉冲星的脉冲到达时间系统性地逐步偏移,而这种偏移刚好符合广义相对论预言中,双体系统因发出引力波而产生轨道衰减的情况。
这是对广义相对论的一次严格检验。
赫尔斯、泰勒二人凭借这一发现获得了 1993 年诺贝尔物理学奖。
2015 年,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)更是第一次直接探测到双黑洞并合事件产生的引力波:
促成这一发现的几位物理学家几乎立即斩获了 2017 年诺贝尔物理学奖。
更不用说,我们每个人手中应用着卫星定位系统的电子设备,全都受益于广义相对论:如果不对地球引力及卫星运动的相对论效应进行改正,卫星定位系统将完全无法给出正确位置。
祝贺你,已经多次成功参与广义相对论的实验检验。
对广相检验历史有兴趣的读者,
可以参考文末给出的 Tests of General Relativity: A Review 这篇文章。
黑洞真的存在吗
1916 年,广义相对论提出仅仅一年之后。
一个名叫卡尔·史瓦西的德国天文学家,在第一次世界大战的前线战地医院卧病时,写下一篇探索广义相对论的论文。
他给出广义相对论中描述时空性质的「爱因斯坦场方程」的第一个精确解。根据这个解,对于任何物体,都有一个与其质量相对应的半径,如果将其全部质量压缩到这个半径内,这些物质就将无止尽的向中心掉落,形成一个时空极端弯曲的奇点。
这个半径,后来被称作「史瓦西半径」。任何物质,包括光,都无法从史瓦西半径内逃出。
如果这个极端不可思议的预言也能得到证明,无疑将会是广义相对论的又一座丰碑。
但一开始,天文学家不相信自然界可以产生那么致密的天体。
1931 年,印度裔天文学家钱德拉塞卡指出,小恒星演化的遗骸、靠电子简并压维持存在的致密天体白矮星,一旦质量超过 1.4 倍太阳质量,就无法继续依靠电子简并压而维持存在,势必继续坍缩为中子星。
1939 年,美国理论物理学家奥本海默等人又指出,当中子星的质量超过某一极限(根据 LIGO 引力波观测的结果,这个极限目前被认为是 2.17 倍太阳质量),就连中子简并压也无法维持中子星的存在,超重的中子星也必然继续坍缩下去——而且似乎没有什么力量可以再阻挡这种坍缩。
看来宇宙似乎有办法把物质压进史瓦西半径以内。
但「奇点」这个让物理学失效的地方,却让一些理论物理学家寝食难安。惠勒一度质疑,形成奇点之后,原先的物质为何可以变成一个无物质的几何点。
随着理论研究的深入,物理学界逐渐廓清疑虑、建立了对这种极端天体各项性质的共识,它也于 1967 年被惠勒正式命名为「黑洞」;但来自一些非主流科学家的异议也始终存在,他们不断试图用黑洞之外的理论描述致密天体的结局。
随着一系列简介天文观测证据的出现,黑洞学说的事实基础逐渐坚实起来:
1972 年,美国天文学家使用探空火箭搭载的 X 射线探测器,发现了位于天鹅座的一个强 X 射线源,天鹅座 X-1。
发现天鹅座 X-1 时使用的空蜂(Aerobee)火箭结构示意图
黑洞成为解释宇宙中强 X 射线源形成机制的一把钥匙:
如果黑洞这样的致密天体位于一对密近双星中,它将掠食伴星的物质。来自伴星的物质在掉进黑洞的过程中,会形成一个旋进下落的「吸积盘」。由于物质在吸积盘的不同半径处公转速度不同,相邻物质团块之间会产生剧烈摩擦,使吸积盘达到极高的温度,从而释放出强烈的 X 射线。
正在蚕食伴星的黑洞吸积盘由于磁场的作用,一部分吸积盘上的物质会被从垂直于吸积盘的方向上向两侧喷出。
黑洞的极端致密,让吸积盘物质掉落进黑洞之前,有机会把自身引力势能的很大比例转化成其他形式的能量释放出来:核聚变的质能利用率只有 1% 左右,而黑洞吸积盘释放出的引力势能折合成质量,则相当于掉落物质总质量的 30% 多。这既是吸积盘上极高温度的成因,也让吸积盘喷流得以加速到接近光速。
因此除了 X 射线双星,很多迸发出近光速喷流的星系中心,也被认为寄居有超大质量黑洞。
例如室女座星系团中心的大质量椭圆星系 M87:
在这张图上,我们只能看到一侧的喷流,是因为以接近光速喷出的喷流具有强烈的相对论性多普勒集束效应——朝向我们而来的物质显得明显更亮,背离我们而去的物质显得极为暗淡。
再比如,有人连续跟踪银河系中心恒星运动十多年,从其轨道计算出,中心天体拥有巨大的质量并且限制在非常小的尺度内,结论同样指向超大质量黑洞。以下是使用真实测量数据制作,并包含未来十几年预测的模拟动画:
但上面这些,归根结底只是间接证据。
LIGO 发现双黑洞并合产生的引力波,可以视为黑洞确实存在的一个准直接证据——但毕竟我们只是「听」到了黑洞并合的时空涟漪——不亲眼「看」见,总还是不太踏实。
由于黑洞吸积盘能够释放出强大的辐射,星系中央大质量黑洞的存在与否还对星系演化有着极为关键的影响,可以说当代天文学对星系演化的理解,严重依赖于确实存在星系中心超大质量黑洞这个假设。
如果最终居然证实没有黑洞的话,现在的天文教科书就要全部重写了。
使用 App 查看完整内容目前,该付费内容的完整版仅支持在 App 中查看
🔗App 内查看 |