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黑洞存在的直接证据:物理与数学的火花

时间:2023-11-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:在不久的未来,“甚长基线干涉仪”技术,将可能让我们观测到黑洞事件视界附近的影像,进一步提供黑洞存在的更直接证据。动圈可以当作是旋转黑洞储存旋转动能的地方。在图3-15中,显示当吸积流从各个方向掉入黑洞时所形成的影像。相较于静止黑洞的对称剪影,旋转黑洞能因为“时空漩涡”,进一步造成左右不对称的黑洞剪影。而未来VLBI观测的黑洞影像,预计将会更为复杂,并揭示出更多关于吸积流甚至喷流形成的细节。

黑洞存在的直接证据:物理与数学的火花

在不久的未来,“甚长基线干涉仪”(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)技术,将可能让我们观测到黑洞事件视界附近的影像,进一步提供黑洞存在的更直接证据。

简单地说,VLBI的概念,就是将位于地球上许多不同地方的望远镜同时对准观测某一特定天体,这相当于用一个直径有如地球般大小的“虚拟望远镜”观测。这样的“虚拟望远镜”在频率为次毫米波段的分辨率,相当于可以在地球上看到月球表面上的一元硬币,这足以解析某些星系中心超大质量黑洞事件视界附近的影像(图3-13)。

图3-13 M87天体在不同观测波长及不同分辨率下所呈现的影像未来的VLBI观测所能达到的分辨率,将能让人们首度观测到黑洞的事件视界附近(箭头处)的影像,验证黑洞是否存在。Credit;original image by NASA,NRAO and Biretta(STScl),modified by the authors。

黑洞不发光,事件视界又是想象中的曲面,所以身在黑洞外的观察者,是看不到黑洞本身的。但别忘记了,黑洞的事件视界附近是被吸积流所包围着的。由黑洞附近发光物质所发出的光,最后有些还可以到达地球,形成影像,这些影像是有特征的。如前所述,相较于静止黑洞,旋转(克尔)黑洞的事件视界外部多了一层结构,称为“动圈”(图3-8)。动圈可以当作是旋转黑洞储存旋转动能的地方。在动圈内部,时空就像是个流体的漩涡,负载其上的任何东西,甚至光或磁场,都不得不和黑洞旋转的方向一起转动,这叫作“参考系拖曳效应”(frame dragging effect)。

这样的“时空漩涡”效果,可以通过光被静止黑洞和旋转黑洞捕捉的不同轨迹(图3-14)来呈现。在图3-15中,显示当吸积流从各个方向掉入黑洞时所形成的影像。相较于静止黑洞的对称剪影,旋转黑洞能因为“时空漩涡”,进一步造成左右不对称的黑洞剪影。而未来VLBI观测的黑洞影像,预计将会更为复杂,并揭示出更多关于吸积流甚至喷流形成的细节。就让我们拭目以待吧!(www.xing528.com)

图3-14 根据广义相对论的计算,光线掉入静止黑洞(图左)和旋转黑洞(图右)的轨迹

因为参考系拖曳效应,当任何东西够接近旋转黑洞时,都必须顺着黑洞转动的方向旋转,造成光线轨迹的不对称。图中事件视界由深色曲面表示,静止极限由透明曲面表示(参考图3-8)。

图3-15 黑洞被吸积流物质所包围时,因吸积物质所发出光线而烘托出的“剪影”(理论计算)

相较于静止黑洞(图左),旋转黑洞的剪影(图右)因为“参考系拖曳效应”而呈现不对称状。

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