什麼是黑洞事件視界,那裡發生了什麼?

2020-12-04 心系宇宙天地寬

模擬的電子在旋轉黑洞事件視界附近的行為

事件視界望遠鏡項目發布了其黑洞成像計劃的第一批結果,但究竟什麼是事件視界呢?

黑洞的事件視界與物質的逃逸速度有關,逃逸速度就是一個物體脫離黑洞的引力所需要達到的速度。物質越越近黑洞,逃離黑洞引力所需要的速度就越大。事件視界是黑洞周圍的一個引力閾值,此刻逃逸速度超過光速。

根據愛因斯坦的狹義相對論,沒有任何有質量的物質能比光速更快。這意味著黑洞的事件視界是一個一旦越過,便不可能返回的邊界。事件視界這個名詞的含義就是指沒有任何外部觀察者可以了解該邊界內發生的任何事件,即無法觀望的地平線。如果黑洞是一個監獄,犯人只能進入,永不釋放!

當物質接近事件視界時,遠處的觀察者會看到物質的圖像變紅變暗,因為重力扭曲了來自該物質的光線。在觀察者看來,當物質接近事件視界時,這個物質的圖像將逐漸淡化,直到消失。

在事件視界中隱匿著黑洞的奇點,理論研究表明,物質在這裡的密度已經坍縮到無限高的程度。這意味著奇點周圍的時空結構也將被無限地彎曲,在這裡我們所了解的所有物理定律將全部失效。因此事件視界也是一道保護我們免受奇點附近未知物理學影響的屏障。

事件視界的大小取決於黑洞的質量。如果地球被壓縮成密度無限高的一個黑洞,它的直徑約為17.4毫米,比一個硬幣還小; 如果太陽被壓縮成黑洞,將有大約5.84公裡寬,相當於一個村莊的大小。當然事件視界望遠鏡所觀測的超大質量黑洞要大得多, 位於銀河系中心的射手座A *約為我們太陽質量的430萬倍,直徑約為1270萬公裡,而位於室女座的M87約為60億倍太陽質量,直徑約177億公裡寬。

黑洞的引力強度取決於與它的距離,離的越近引力越強。這會產生被稱為潮汐力的引力差,潮汐力對接近它的物體的影響會因黑洞的質量而有所不同。如果你朝著一個相對較小的黑洞,比如一個只有三倍太陽質量的黑洞跌落,那麼在接近過程中,你就會被拉成一條麵條,不斷伸展,在到達事件視界之前就已經死了。

然而假設你在向一個達到太陽質量數百萬到數十億倍的超大質量黑洞墜落時,你就不會過於強烈的感受到這樣的潮汐力的拉扯,在你越過事件視界之前,你可能不會死於「麵條化」,但在黑洞周圍依然有許多其他致命危險。

黑洞可能會旋轉,因為它們通常由旋轉的恆星演化而來,因此它的旋轉速度可能大大超越最快的脈衝中子星。最近的研究結果認為,黑洞的旋轉速度可以超過光速的90%.

在以前的黑洞模型中,假設它們沒有旋轉,因此奇點就是一個點。但由於黑洞通常會旋轉,新的模型表明它的奇點是一個無限細的環。這導致旋轉黑洞(也被稱為克爾黑洞)的事件視界呈現橢圓形,兩極被擠壓並在赤道處凸出。

旋轉黑洞的事件視界分為外部視界和內部視界。非旋轉黑洞也稱為史瓦西黑洞,內外視界重合。外部事件視界就像一條不歸路的起點,而旋轉黑洞的內部事件視界(也稱為柯西視界)更加奇怪。越過該閾值,因果關係將可能被顛倒,過去不再必然決定未來,並且可能做到時間旅行。

一個旋轉的黑洞也迫使它周圍的時空隨之旋轉,這種現象被稱為時空拖曳或慣性系拖拽效應。包括地球在內的其他大型天體周圍也會發生這種拖拽效應。

這種拖拽效應創造出一個稱為「能層(ergosphere)」的宇宙漩渦,它發生在旋轉黑洞的外部事件視界之外。在「能層」中的任何物體都被迫沿著黑洞旋轉的方向移動。落入能層的物質仍然可以通過獲取足夠的速度來逃離黑洞的引力,並從中獲取一些黑洞的能量。通過這種方式,黑洞可以對周圍環境產生強大的影響。

旋轉還可以使黑洞更有效地將任何落入其中的物質轉化為能量。根據著名的E=mc^2等式,非旋轉黑洞會將約5.7%的墜落物體的質量轉換為能量。相比之下,旋轉的黑洞可以將物體質量的42%轉化為能量。

這對黑洞周圍的環境具有重要意義。幾乎所有大型星系中心都有的超大質量黑洞可以通過這種效應顯著影響這些星系的演化。

有物理學家認為任何落入黑洞的物質都可能在事件視界附近遇到一道「防火牆」,這道牆會焚燒掉任何物質,將其轉化為能量。然而在一些試圖將廣義相對論關於引力的本質與量子力學結合的理論中,認為這道防火牆可能不存在,甚至事件視界本身都可能不存在。這些物理學家認為我們目前所認識的黑洞可能實際上是一種沒有事件視界的黑洞狀天體,它並非是一個不可返回的深淵。

因此物理學家非常渴望通過對黑洞邊緣進行成像,依靠事件視界望遠鏡來幫助他們分析事件視界的外觀及對周邊空間的影響。 物理學家可以利用這些圖像來重構任何關於黑洞結構的理論。

這都有待於事件視界望遠鏡的圖像才能繼續進行分析。

相關焦點

  • 黑洞是什麼?從何而來?什麼是黑洞的「事件視界」?
    提問:黑洞是什麼?它們從何而來?科學家們能看到黑洞嗎?什麼是黑洞的「事件視界」?回答:黑洞是由廣義相對論方程預測的理論實體。當一顆質量足夠大的恆星發生引力坍縮時,它的大部分或全部質量被壓縮到一個足夠小的空間區域,從而在該點處引起無限的時空彎曲(即「奇點」),就形成了黑洞。如此巨大的時空曲率不允許任何東西,甚至光,從「事件視界」或邊界逃逸。黑洞還從未被直接觀測到,儘管對其影響的預測和觀測結果相符合。
  • 經過黑洞的事件視界是什麼畫面?
    NEXTMIND黑洞,是一種質量非常大的天體,其產生的引力場如此之大,連光和輻射都無法逃逸,那麼你能想像當經過黑洞的事件視界時,會是什麼畫面嗎?這裡要解釋下什麼是事件視界,據維基百科,事件視界是一種時空的區隔界線,在黑洞周圍的便是事件視界,在非常巨大的重力影響下,黑洞附近的逃逸速度大於光速,所以任何光線都無法從事件視界內逃脫。
  • 黑洞的事件視界裡發生了什麼,它的生長與星系的演化有何關聯?
    那麼,在黑洞的事件視界裡到底發生了什麼,黑洞的生長與星系的演化又有哪些密不可分的聯繫?具有特殊吞噬規律的超大質量黑洞在星系GSN 069的中心,科學家們發現了一個定期消耗大量材料的超大質量黑洞,其吞噬物質的時間周期大約每次間隔9個小時。在此之前,研究人員僅在兩個「恆星質量黑洞」中觀察到過這一現象,而這個與地球相距2.5億光年的黑洞,其質量達到了太陽質量的40萬倍左右。
  • 黑洞公告!事件視界望遠鏡將於周三首次公布「黑洞圖片」
    事件視界望遠鏡(EHT)的科學家們日前宣布,世界上第一張黑洞圖片將在兩天之後向公眾公布。黑洞:有史以來第一張黑洞圖片將於本周公布。這一突破性的成就將於4月10日星期三在一系列同時舉行的新聞發布會上公布。天文學家將首次展示銀河系中心的超大質量黑洞,這一壯舉直到最近才被認為是不可能的。
  • 黑洞照片怎麼拍的 黑洞照片具體拍攝手法 事件視界望遠鏡是什麼
    同時,黑洞也會以噴流和風的形式向外噴射物質和能量。不過,雖說黑洞的陰影能被「看到」,但也不是所有黑洞都符合成像條件。由於黑洞事件視界的大小與其質量成正比,這也意味著黑洞的質量越大,事件視界就越大,也越適合成像。因此,距離我們近的超大質量黑洞是完美的黑洞成像候選體。用這一虛擬望遠鏡「拍照」的兩個目前已知最優的候選體,一個是銀河系中心黑洞Sgr A* ,一個是近鄰射電星系M87的中心黑洞M87*。
  • 落入黑洞後會發生什麼?
    隨著越來越靠近黑洞,空間愈加扭曲,最終歸於一個連光都無法逃離之地——事件視界。 當你逐漸靠近黑洞的事件視界時,會有很多超乎常理的事情發生,而一旦越過黑洞,事情則會一發不可收拾。對於你一旦越過這一看不見的障礙,便無法脫身,有一個非常合理的解釋。 當你距離黑洞比較遠的時候,空間的扭曲程度很小。
  • 公布的首張黑洞照片是怎麼拍的?什麼是事件視界望遠鏡?
    公布的首張黑洞照片是怎麼拍的?什麼是事件視界望遠鏡?不久前,天文學界發表了人類歷史上第一張黑洞照片。這張照片是數百名科學家經過十多年努力的研究成果,因此引起了全球的關注。那麼,讓我們一起研究下公布的首張黑洞照片是怎麼拍的呢?
  • 黑洞的事件視界得到進一步證實
    如果這個奇點被事件視界(event horizon,下面簡稱視界)包圍,就形成了黑洞。大多數科學家都認為,無論任何東西,一旦越過黑洞的視界,就會被強大的引力吸引而無法逃脫。儘管這個概念被普遍接受,但視界的存在並沒有得到證明。
  • 史上首張黑洞照片今日9點公布 黑洞事件視界是什麼意思?
    「事件視界望遠鏡」項目官網發布的消息,美國東部時間10日9時(北京時間10日21時),在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利聖地牙哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京將同時召開新聞發布會,以英語、漢語、西班牙語、丹麥語和日語發布「事件視界望遠鏡」的第一項重大成果。
  • 人類史上首張黑洞照片今晚發布,「事件視界望遠鏡」是什麼?
    多國科研人員合作的「事件視界望遠鏡」項目將於10日發布一項「開創性成果」,輿論普遍認為這將是人類有史以來獲得的第一張黑洞照片。目前,這張直接由望遠鏡拍到的黑洞照片已進入最後的「衝洗」階段,距離問世已進入倒計時。
  • 黑洞的視界是什麼?一口氣搞懂黑洞的前世今生
    >網友私信:請問你昨天回答中的黑洞的視界是什麼質量類似於我們太陽的恆星,死後不會變成黑洞,而會變成一顆白矮星。這個白矮星也會發光發熱,不同的是它放出的能量很小。那麼怎樣的恆星死後才能變成黑洞呢?根據理論來講,恆星殘留質量大於太陽3.2倍以上,(8~10個太陽質量以上)這樣的恆星在死亡時,會發生一次爆炸。(超新星爆炸)在爆炸過程中產生的能量相當於恆星幾萬年內發出的能量總和。
  • 為什麼說:進入黑洞「事件視界」奇點後,就別想再出來了?
    遺憾的是不能通過望遠鏡看到這樣壯觀的碰撞,無論望遠鏡有多高的解析度,因為根本沒有光可以從黑洞事件視界內逃逸出來。然而,使用非常靈敏,非常大的引力波探測器,科學家可以探測和測量黑洞發出的引力波。這些波就像時空中的漣漪,收集到的數據講述了數百萬光年或數十億光年外發生的事情。
  • 黑洞的照片今晚面世了,但是你知道黑洞視界是什麼嗎?
    今天,國際事件視界望遠鏡項目(the international Event Horizon Telescope project)將公布其拍攝黑洞圖像計劃的第一個結果,但究竟什麼是視界(Event Horizon)呢?
  • 事件視界--黑洞不是「洞」
    但這還是間接的,而我們一直想要做到的,就是直接『看』到黑洞!」路如森說。按照100多年前愛因斯坦提出的廣義相對論,人類似乎永遠不能看到「黑洞本身」,相應的,黑洞的「事件視界」,就是科學家能看到的「最接近黑洞本身的圖像」。如何給黑洞「拍照」欲睹黑洞「芳容」,全世界科學家翹首以待了上百年,因為給黑洞「拍照」太難。
  • 事件視界望遠鏡即將拍攝墜入黑洞的物質!
    黑洞是巨大的,即使對於星系中心的超大質量黑洞來說也是如此:質量是地球太陽質量的65億倍,它的視界(超過這一點甚至光都無法返回)包圍著一個和我們整個太陽系一樣寬的球體。所以,這個黑洞吸積盤的熱物質需要很長時間才能繞著這個物體走一圈。[M87]發生明顯變化的時間跨度超過一天,Doeleman說:這太棒了,因為它的意思是一次拍攝一幀的影像。
  • 黑洞的事件視界:光子、引力、義大利麵化,以及想像力的界限
    4月10日,國際事件視界(Event Horizon)望遠鏡項目發布了其黑洞成像計劃的第一批結果。結果不出所料,黑洞的照片是個黑色的洞,想搞清楚「為什麼黑洞是黑色的」,我們首先要清楚「事件視界」。事件視界是什麼?
  • 事件視界望遠鏡獲取到的黑洞是長什麼樣的?有什麼意義?
    黑洞視界外到底什麼樣明天就會揭曉了,事件視界望遠鏡的組建代表人類觀測水平的又一次提升,不僅可以用來觀測黑洞,還可以觀測很多難以觀測天體事件。事件視界望遠鏡不是傳統意義上的望遠鏡或者望遠鏡矩陣,由於單個超大口徑望遠鏡建造難度大,而射電信號擁有可組合起來的特點,科學家就利用近幾十年建設在世界各地的射電望遠鏡,將獲得的信號組合起來,經過去除背景雜質信號等方式,將獲得的信號放大,可以得到比單一望遠鏡更強的信號。
  • 黑洞內到底發生了什麼?
    當物質落在引力星上時,它實際上無法穿透事件視界(由於內部存在所有暗能量黑洞內到底發生了什麼這將在黑洞內部創建一個邊界,稱為內部事件視界。在該區域之外,由於極端引力的作用,輻射向內朝著奇異性下降。但是反引力將輻射推向環的奇點附近,轉折點是內部事件視界。如果您要遇到內部事件視界,您將面對一面無限輻射的牆壁——整個宇宙的歷史,在不到一眨眼的功夫就會展現在您眼前。
  • 黑洞是什麼?它從哪裡來?那裡有什麼?
    例如,如果黑洞穿過星雲,它將在一個被稱作吸積的過程中把物質吸進內部。如果一顆普通恆星經過黑洞附近,也會發生類似的過程。在這種情況下,黑洞會將恆星拉向自身,並將其撕裂。當被吸引的物質加速並升溫時,它會向太空中輻射X射線。發現提供了一些誘人的證據,表明黑洞對它們周圍的鄰居有巨大的影響——釋放出強大的伽馬射線爆,吞噬附近的恆星,在一些地區刺激新恆星的生長,而在另一些地區則使其停滯。
  • 科普:「事件視界」和「事件視界望遠鏡」——探尋黑洞的蛛絲馬跡
    新華社北京4月10日電(記者郭爽)在黑洞周圍,光線不能逃脫的臨界範圍被稱為黑洞的半徑或「事件視界」。對這個特殊區域,人類動用口徑相當於地球直徑的「虛擬望遠鏡」,探尋黑洞留下的種種「蛛絲馬跡」。根據著名理論物理學家霍金的理論,黑洞「事件視界」並非「有去無來」的單行車道。儘管物體一旦被吸入黑洞就會永遠消失,但如果經過數十億年的時間,黑洞可能會「滲出」一些被吸入物質的蛛絲馬跡。由於黑洞非常遙遠且半徑很小,以往設施沒有足夠的解析度來直接觀測黑洞,而是用觀察周圍恆星運動、吸積盤和噴流乃至引力波等間接方法來進行探測。