在2019年4月10日,一组科学家完成了壮举:他们成功拍到了黑洞有史以来的第一幅照片。这张得来不易的照片理所当然地占据了全世界报纸的头版,毕竟人类从来也没有想过自己能够拍到黑洞,而且能够把它广传。

照片中的黑洞是一个超大质量黑洞,质量是太阳的24亿倍,位于离地球5300万光年的M87 星系中心。


处女座梅西尔87(M87)星系中心的黑洞
相片来源: Event Horizon Telescope Collaboration [1]

首先我们要解答以下问题:到底黑洞是什么,又是怎样形成的呢?

简介黑洞

虽然科学家早于18世纪已经猜测到黑洞的存在,但最先在科学上预测到黑洞存在的却是爱因斯坦的广义相对论,那是作为爱因斯坦重力场方程式中的一个解。爱因斯坦的相对论大概可以用约翰·惠勒(John Wheeler) 的一句话优雅地总结:「时空告诉物质怎样移动,物质告诉时空怎样扭曲(Space-time tells matter how to move; matter tells space-time how to curve)」[2]。

物质会令时空变得扭曲;在黑洞事件视界(event horizon)的周围,时空扭曲得什至连光也不能逃逸。这发生在一颗恒星塌缩至一定小的体积时,更准确地说,比史瓦西半径(Schwarzschild radius)还要小的时候(这里M代表恒星的质量、c是光速、G是重力常数)。

让我们从具体例子看看:如果我们的太阳是一个黑洞的话,它的半径就会约为2.95公里;相比之下,太阳现时的半径为696,340公里。事实上,因为太阳的质量相比下实在太微不足道了,所以我们永远都不用担心太阳会变成一个黑洞 — 这一定不会发生!

宇宙里的黑洞都是从重力塌缩(gravitational collapse)的过程形成的。在一颗濒死的恒星里面,较重的元素会进行核聚变,令恒星的内部压力降低;随着恒星的压力降低,引力会令它进一步塌缩,这星体的密度将会变得极高,所产生的重力也自然大得惊人— 这就是黑洞。修读高中物理的同学可能记得逃逸速度(escape velocity)这个概念:黑洞的体积极小、质量极大,令逃逸速度比光速还要快,所以没有东西能逃出黑洞 — 连光也不能。


现在让我们看看几个流言:

流言:那张黑洞照片是由一座望远镜拍摄出来的。

流言破解。

那张了不起的照片并不是单凭一座望远镜拍摄出来的,它是由坐落于世界不同地方的八座望远镜拍摄得来的多张照片叠合而成,那八座望远镜被合称为「事件视界望远镜(Event Horizon Telescope/EHT)」[3]。对于要拍摄这个离地球极远的黑洞,如果要得出以令人满意的相片质素,望远镜需要一个非常大的光圈(镜头开口的大小)来收集从黑洞发出的光。与其建立一座巨型的望远镜,研究团队决定在同一时间把多座望远镜对准黑洞,创造出一座极大的「虚拟」望远镜。这座望远镜的光圈就变成了当中两座相距最远的望远镜之间的距离,也大概是接近地球的直径!这大大提升了望远镜的解像度,使我们可以拍摄到很远很远的天体。你现在看到的影像是在2017年4月其中四天,从八个不同地方所收集的数据叠合而成的[4];它是由大量数据以影像修复技术重组而成的一张照片。

流言:黑洞只会越来越大。

流言破解!

你可能在想,黑洞只会吞噬物质 — 这也是科学家长久以来所相信的,直到一天霍金先生的来临……

霍金教授其中一项最著名的发现是霍金辐射,也就是黑洞发出的一种辐射。的确,任何东西也不能逃出黑洞,但是当时的物理学家却不知道黑洞本身也会释放辐射 [5]。霍金辐射背后的理论难以在此详细解释,大概可说是因为量子涨落(quantum fluctuations)的关系,令黑洞倾向丧失能量,譬如是以电磁波(electromagnetic waves)的形式。如果黑洞发出的辐射比吸收的多,那么黑洞的质量就会减少,最终会蒸发,因为E=mc^2 这条著名的方程式提醒我们:质量和能量是等价的。

虽说如此,黑洞要完全蒸发并消失的话,需要一段非常长的时间,所指的是以10100年计的时间,因此宇宙的历史(大概是1010 年的概念)相比之下只是九牛一毛。即使是最快消失的黑洞,消失的时间也很难短于宇宙至今的整段历史,那相对上仍然是一段很长的时间。

流言:黑洞不是黑色的(因为我们能看见它)。

流言破解。

先要澄清一件事情,黑洞本身是100%黑色的,因为黑洞本身的定义为「任何越过了事件视界的东西一律都不能逃出黑洞」。我们在照片中看到的其实是围绕着黑洞的物质 — 一环即将要消失在事件视界的物质和光。而在照片中看到的橙色是人工加上去的,它表示了黑洞附近的辐射强度:橙色部分代表较强的辐射,黑色部分则代表辐射较弱或没有辐射的地方 [4]。如前文所述,黑洞本身也会发出霍金辐射,但由于强度实在太弱了,所以我们在可见将来也不见得能够观测到黑洞释放的任何辐射。

流言:一旦掉进黑洞里面,你的身体会被扯开。

流言证实。

这是因为一个称为「意粉化(spaghettification)」的过程,它是由黑洞所产生的引力梯度所造成的。由于重力场强度的明显差别,如果你是头先掉进黑洞的话,你的头所受的重力将会比脚所受的大得多。自然地,你的身体将会向垂直方向被拉长,向水平方向被压缩,这些潮汐力(tidal forces)强得足以在一个人远远还未抵达黑洞中心之前就把他分尸,所以你跌进黑洞之后可以说是必死无疑。(为安全起见,《科言》编采团队并不建议你亲身掉进黑洞来验证这个流言。)

后记:与黑洞相关的知识还有很多,希望这篇文章能令你对黑洞有更大的兴趣吧!如果你想探索更多,网上有不少资源能提供更详尽的资讯,比拙栏在有限空间内能提供的多。如果要对黑洞作更深入的了解,必须先学习爱因斯坦的相对论,首先是狭义相对论,然后是广义相对论。值得介绍的包括以下两个YouTube频道:PBS Space TimeMinutePhysics.

参考资料


  1. European Southern Observatory. (2019, April 10). First Image of a Black Hole. Retrieved from https://www.eso.org/public/images/eso1907a/
  2. Misner, C. W., Thorne, K. S., & Wheeler, J. A. (1973). Gravitation. Princeton, NJ: Princeton University Press.
  3. Lutz, O. (2019, April 19). How Scientists Captured the First Image of a Black Hole. Retrieved from https://www.jpl.nasa.gov/edu/news/2019/4/19/how-scientists-captured-the-first-image-of-a-black-hole/
  4. The Event Horizon Telescope Collaboration. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole. The Astrophysical Journal Letters, 875(1). doi:10.3847/2041-8213/ab0e85.
  5. Traschen, J. (2000). An Introduction to Black Hole Evaporation. arXiv. Retrieved from https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0010055.pdf

标题相片来源:

The moon and the arc of the Milky Way: ESO/S. Guisard (www.eso.org/~sguisard)
Interacting Galaxies Group Arp 194: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)


作者:
蔡茜珩小姐
《科言》学生编辑
香港科技大学