2019年4月10日世界上的第一張黑洞照片就呈現在我們面前了,這個100年前就預言存在的天體,我們終於見到他的真面目了,但是這張照片真的是黑洞的真實面目嗎?這張黑洞照片,我們是從什麼角度看到的呢?這個吸盤他是正對著我們(那我們看到的是一個圓形的圖片 ,如下圖),還是和我們的視線平行了啊(我們會看到是一個扁平的線,如上圖)
正確答案是幾乎是正對著我們的,這個吸積盤中心的這個法矢量指向我們右方偏下的位置,和我們的這個視界形成的夾角是大概17度左右。那麼這個17度的夾角是怎麼來的呢?這個數據是根據哈勃望遠鏡拍攝了一張m87的一個噴流的照片估計測算出來的,就是最早的哈勃望遠鏡拍攝了一張m87的一個噴流的照片啊,通過這張照片仔細看m87的黑洞照片,會發現這張照片從左上到右下愛他是有一個相對較亮的暗影。這個暗影和哈勃拍攝的噴流的照片符合得很好。
但是我們看到的黑洞為什麼是上暗下亮呢?如果一束光射向遠處遠離我們,那我們看到的這束光會越來越暗,如果這束光是射向我們,離我們越來越近的光就會越來越亮。黑洞的吸積盤是會自旋的,自旋過程當中,肯定有一部分光離我們越來越近,也有一部分光離我們越來越遠。打個比方,一個圓向我們滾來,圓的上方就離我們越來越近,圓的下方就離我們越來越遠,黑洞自旋就像圓那樣。
黑洞是怎麼自轉的,結合剛才說的這個17度的傾角,就能判斷出來這個黑洞的旋轉方向,自旋方向就是面對我們順時針轉。在隨後發布的官方論文中,這個明暗對是由黑洞的自旋決定,那黑洞的自旋又是什麼呢?黑洞其實就是一種大質量的天體,理解黑洞的自旋可以一定程度上理解成地球的自轉。我們描述電子的自旋方向一般使用0、+1、-1表示,它表示這個角動量的一個參數,+1和-1分別表示自旋的兩個方向,0表示不自旋。判斷自旋方向就通過右手定則來判斷,4隻手指就代表旋轉方向,大拇指就代表自旋方向。
這個黑洞是正面對著我們,但是如果吸積盤和我們的視線是平行的,我們會看到什麼呢?正常考慮可能就是一條長長的吸盤的一個投影對吧?理論上還不是你還會看到一個接近於圓形的一個結構啊,原因就是有這個強烈的透鏡效應造成的,我們能想像的到的最真實的樣子,就是2014年這個電影星際穿越當中的卡岡圖雅黑洞,這個黑洞可不是隨便做的,星際穿越的科學顧問就是大名鼎鼎的史蒂芬筍,他是惠勒的學生,並且在2017年還因為引力波探測另外兩個人獲得了諾貝爾物理學獎,就是損根據理論模擬出來的啊,所以這是出自一位諾獎得主之手,因此卡岡圖雅黑洞也被人們稱作是最理想當中的黑洞,我們在電影當中看到的這個卡岡圖雅就是吸積盤,幾乎是和視線是平行的,但是因為黑洞的強引力透鏡效應啊,這個光線被極度的彎曲。使我們能夠看到它的後面。所以大家看到的這個黑洞的上面和下面啊,並不是真正的上下面,而是後面的這個吸盤,形成的像分裂出來的。而且無論你從哪個角度去看啊,只要你和這個吸盤是平行的,那你看到的就會是這個樣子啊,這個模擬是經過嚴格計算,唯獨有一點沒體現出來,就是都卜勒效應帶來的這個亮度的差異。
那什麼是引力透鏡呢?簡單理解就是光線被大質量物體彎曲了啊,你比如說我們看這個池塘裡的水看上去好像不怎麼深,跳下去水會發現還挺深的,因為我們看到的是折射所形成的像。再比如說放大鏡,為什麼放大鏡看東西會被放大呢?因為我們看到的是光透射所形成的像,而引力透鏡顧名思義就是引力充當了放大鏡了唄,那如果我們和看見的這個天體A之間存在著一個大質量的天體B,那我們看到天體A就會是經過引力透鏡(B天體)所形成的像。
假如呢,說在我們正前方有一個大質量的天體E,它具有很大的質量,引力大到足以彎曲光線,在這個天體E存在著一個發光的天體F,那我們能看見天體F嗎?正常下肯定是看得到的,雖然天體F被遮擋了,但如果光線發生彎曲,這個發光發熱的天體F發射出的光線在經過大質量天體E的時候恰好被彎曲了,然後射入到我們眼睛,那我們就能看見。但是我們看到的會是這個光線反向延長線的投影,所以它就不是原來的它了,可是光線她不一定只走右邊對吧?應該是這個都會經過發光天體的光線啊。理論上我們就應該看到一個發光的圈,前提是說這個人眼、大質量天體E、還有這個發光物體F,它的三點一線啊,這種情況下形成的這個光環就叫做愛因斯坦.根據這三者相對位置的不同形成的像也不同,一個、兩個、三個等等,根據現有的理論,如果是一個星系充當這個大質量天體啊,或者說這個大質量天體可以透過光線那麼所形成的像一定是奇數。如果要是黑洞這類天體碰到這個大質量天體,那一般就是成兩個相或者是一個環,這也是有嚴格的數學推導,但是需要澄清一點,就是理論上可以成效,但不代表我們能看見啊,比如說它可能成了5個像,我們可能只能看見4個像,剛才咱們說的這個能成像這都算是強引力透鏡效應。
相對的還有透鏡效應,就是雖然它不能成像,但是足以改變物體本來的樣子。其實我們觀測到遙遠的宇宙不一定是它本來的面貌,而是經過各種引力透鏡折射之後形成的像,這些光線彎彎曲曲的射進入到我們的視野裡,所以你看到的就已經不是真實的宇宙了。
我們看到的這張黑洞照片也會受到引力透鏡效應的作用,就是它可能本來是一個很單薄的一圈吸積盤,但是由於這個引力透鏡它會形成多個小重疊在一起,使整體的亮度被加強了,所以嚴格的說這張照片也不是本來的面貌,就像這個卡岡圖雅黑洞一樣。
總之關於黑洞其實我們還有很多未知的地方,也有很多搞不清楚的地方,但是這張照片的出現了還有另外一個意義,就是他和理論預言的幾乎一樣,這就表明前人所有的努力都沒有白費,這樣科學家才有動力繼續去研究。這也算是給研究黑洞的物理學家打了一針雞血,搞科研是最需要這種振奮人心的消息。用通俗易懂的語言去解釋這個世界,讓我們一起通過物理去認識這個世界,文章中可能有一些專業術語使用了一些通俗易懂的例子,但是真正的理論並非那麼簡單。