黑洞照片發布會上說吸積盤兩天繞黑洞一周,是不是超光速了?

2020-12-05 星宇飄零

第二篇論文第3頁給出的理論計算數據關於這個問題在看黑洞照片發布會直播時我並沒有注意到,細心的網友後來發現了。

在剛發現這個問題時我的第一反應是:這黑洞很顯然不是史瓦西黑洞,所以它的半徑很顯然也不是史瓦西半徑。但是我很快發現不對,因為這裡說的並不是黑洞視界,而是吸積盤上的等離子體!

那麼很顯然,這是發布會的一個BUG,為什麼我這麼肯定?繼續看你就知道了。

吸積盤轉速問題

首先,吸積盤是繞黑洞高速旋轉的等離子體,它在不同半徑下的轉速是不一樣的,也就是說它不可能有一個統一的公轉周期,實際上吸積盤輻射至少一部分就來自於不同半徑繞轉時所產生的速度差導致的摩擦,也正是這種摩擦讓吸積盤內圈的等離子體被更慢的外圈等離子體減速從而落入黑洞。發布會上說「等離子體僅需要兩天的時間就能夠環繞M87的黑洞一周」這BUG鐵定洗不掉了。

發布會上等離子體兩天繞黑洞一周的原話

史瓦西半徑問題

一開始我首先想到的是這是個克爾黑洞而不是史瓦西黑洞,極端克爾黑洞的半徑是遠小於史瓦西黑洞的,然而我很快發現,這還是不對,這裡明明說的是等離子體,而發光的等離子體是在黑洞陰影(黑洞圖片中中間的黑色圓面)外的,而黑洞陰影的半徑是在史瓦西半徑的2.5倍,即陰影的直徑是史瓦西半徑的5倍左右,根據計算,65億倍太陽質量的史瓦西半徑大約是192億km,按照發布會給出的陰影直徑1000億km基本相符,這麼一來就怎麼算也算不準了,到此我已經確定這發布會絕對有BUG了。至於BUG是怎麼產生的,繼續往下看。

黑洞陰影

根據廣義相對論數值模擬,科學家發現在帶有吸積盤的黑洞上,會產生一個視邊界(apparent boundary),這與我們平時說的視界是不一樣的,在靠近視邊界外的光子會在繞黑洞數圈後逃離,而視邊界內向外輻射的光子只要還沒落入視界,就還是能逃離出來,但在逃逸過程中將產生嚴重紅移,這樣在視邊界的內外將產生一個明顯的邊界,從遠處看將看到黑洞陰影邊緣產生一個高亮度的圓環。這就是此次視界面望遠鏡陣列所要拍攝的影像。

《星際穿越》裡的黑洞陰影和視邊界

最內層穩定圓軌道

這就是吸積盤最後能繞黑洞旋轉的位置了,對於一個高速自轉的克爾黑洞,它能足夠的靠近黑洞視界,而我能想到的繞黑洞轉得最快的吸積盤部分就是這裡了……而正是這個讓我99.99%確定發布會上是說錯了。看圖:

第二篇論文第3頁裡給出的此前預估理論

這是此次發布的6篇論文裡第二篇論文的第3頁,是之前根據廣義相對論計算的銀心黑洞和M87中心黑洞的相關數據。由於此前用兩種方法估算的黑洞質量並不一致,相差了接近一倍,所以這裡同時給出了M87黑洞的兩個質量估算值,表中第1行是黑洞預估質量,第6行就是最內層穩定圓軌道(ISCO)的繞轉周期,看到沒有,2.4天!這大概就是發布會上那「等離子體僅需要兩天的時間就能夠環繞M87的黑洞一周」的數據來源了,然而這個數值是按33億倍太陽質量估算的……而根據此次公布的M87中心黑洞質量是65億倍太陽質量,差不多大了一倍!也就是說,即使最內層穩定軌道的吸積盤,繞轉周期也至少達到4.8天左右!還是覺得很快對吧?忘記告訴你了,這是轉半圈的時間……

看到上圖中周期上的兩個數據了嗎?一大一小,小的那個就是向我們方向轉半圈的周期,而大的那個就是遠離我們方向轉半圈的周期……而這也正是產生黑洞圖像上上部暗下部亮的原因!

此次發布的M87中心黑洞照片

總結

根據上面分析已經可以去確認那句說吸積盤兩天繞黑洞一周的話是錯的,而實際上我也簡單查看了此次發表的六篇論文,都沒有找到實際測量到的吸積盤轉速的數據,上面論文中的數據都是之前理論計算的結果。所以這個問題大概能畫個句號了。結論是:發布會上搞錯了。

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