迷你世界Laplace 图版 38 — 黑洞

图版 38 · 宇宙

连光都逃不出来的地方

把一颗很重的星压缩到极小,它的引力会大到连光都逃不出来,这就是黑洞。黑洞本身看不见,可是它周围的光会被弯折,绕着它画出一圈明亮的光环。2019 年,人类第一次看到了这样一圈光环的照片。

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逃不出来的边界

从地面往上扔石头,扔得越快,飞得越高。要彻底飞离地球,需要每秒 11.2 公里。星球越重越小,需要的速度越快。

如果把太阳压成半径只有 3 公里的球,或者把地球压成一颗 9 毫米的弹珠,逃离它表面所需的速度就会超过光速。在这条边界以内,连光也出不来,这条边界叫作“事件视界”。爱因斯坦的理论算出的大小一样,而且更奇怪:在这条边界以内,就算光笔直朝外跑,也会被带向里面。

模拟:一个不自转的黑洞,四周是星空

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把光弄弯

光经过黑洞附近时,会被它的引力拉弯。黑洞后面的星星,看起来被挤到了它的四周,有的还会出现两次。

靠得越近,光弯得越厉害。在大约 1.5 倍视界半径的地方,光甚至可以绕着黑洞转圈,可只要稍微偏一点,就会掉进去或者飞走。从远处来的光如果靠得更近,就再也出不来了。

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光环从哪里来

很多黑洞周围都有一圈旋转的热气体,叫“吸积盘”,热到发光。

盘的后半边本来被黑洞挡住了,可它发出的光绕过黑洞的上方和下方,弯到了我们眼前,所以盘像是在黑洞头顶也拱了一道。中间那团黑影是黑洞的“影子”:看向黑影的每一条视线,最后都落进了事件视界。因为黑洞会把光往自己这边弯,影子看起来比事件视界实际大约大 2.6 倍。

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一边亮,一边暗

吸积盘转得飞快,靠近内侧的气体,速度大约是光速的一半。朝我们转过来的那一边,光被“推”得更亮更蓝;背着我们转的那一边,就暗一些、红一些。

所以黑洞的光环往往一边亮、一边暗。

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第一张黑洞照片

2019 年,“事件视界望远镜”把分布在地球各地的射电望远镜连在一起,公布了 M87 星系中心黑洞光环的照片(两年前拍下)。这个黑洞的质量是太阳的 65 亿倍,离我们 5500 万光年。

它的光环在天上只有 42 微角秒那么大,相当于在地球上看月球表面的一个橙子。2022 年,他们又公布了银河系中心黑洞的照片。

把模拟画面变模糊、染上颜色,示意望远镜拍到的样子;真实照片拍的是射电波,颜色是后加的,也看不到星星

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你来试试

转动视角,从侧面、从上面看黑洞;关掉吸积盘,只看星光怎样被弯折。

试一试把视角从“上方”换到“侧面”:吸积盘在黑洞上方成了什么样?

模型省略了什么

这里每一个像素的光线都按广义相对论在不自转黑洞周围的弯曲路径算出来;但真实的黑洞大多在自转,光环的形状会稍有不同。吸积盘被画成一片很薄的发光圆盘,从 3 倍视界半径到 12 倍,亮度和颜色是示意,只保留了“朝我们转来的一边更亮”这个效应。背后的星空借用了我们银河系的星图,再撒上随机的星点,并不是那个黑洞身后真实的天空。

一个常见的误解

黑洞不是宇宙中的吸尘器,不会把远处的东西都吸进去。离得足够远时,它的引力和同样质量的恒星一样:如果太阳突然变成同样质量的黑洞,地球仍然会沿原来的轨道绕着它转(只是会变得又冷又暗)。另外,照片里的黑影也不是黑洞“本身”,而是它的影子:被弯折的光放大了的事件视界轮廓。

资料来源

  1. 事件视界望远镜:第一张黑洞照片(M87*,2019)
  2. 事件视界望远镜:银河系中心黑洞人马座 A*(2022)
  3. NASA:黑洞
  4. NASA 戈达德:黑洞吸积盘可视化

数据

Milky Way: NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio, Deep Star Maps 2020; Gaia DR2: ESA/Gaia/DPAC.

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