得意生活网
您的当前位置:首页 > 母婴亲子 > 如何跟孩子解释「为什么给黑洞拍照这么难?为什么要给黑洞拍照?」?

如何跟孩子解释「为什么给黑洞拍照这么难?为什么要给黑洞拍照?」?

时间:2024-01-15 11:43:49来源:网络作者:得意生活网

黑洞连光都不放过,人类是怎样给它拍照的?

因为黑洞吸收所有的光,没有光进入人类的眼睛(光学设备) ,就像所有在夜晚看到的物质都是黑色的。但是黑洞周围的物体反射光线。我们可以看到我们周围的物体。中间的黑洞不是被激活了吗?这与夜晚的夜光点正好相反。我们只能看到发光点,却看不到周围的物体。这个发光点也是“设置”。虽然黑洞不发光,就像阴影不发光一样,我们仍然可以拍摄阴影照片。拍摄黑洞的照片有三个一般原则。引力透镜效应效应的方法是利用引力透镜效应效应去除黑洞的边界及其引力效应。

上图: 大麦哲伦星系前面的一个模拟黑洞图。请注意这里的引力透镜效应效应,它产生了2张放大但高度扭曲的大麦星云图像。在顶部,银河系的影像被扭曲成一个弧形。引力透镜效应效应是由于天体附近(例如黑洞或星系团)的重力引起时空弯曲而使光的运动路径发生弯曲的效应。

引力曲率的大小是阿尔伯特 · 爱因斯坦广义相对论理论的预测之一(这个曲率是在1936年的一篇文章中计算出来的,但是爱因斯坦起初并没有发表这篇文章,后来在别人的催促下不情愿地发表了这篇文章—— Tango 非常自豪)。虽然经典物理学也预言了光的弯曲,但这只是广义相对论预言的一半。与光学透镜不同的是,引力透镜效应效应使最靠近中心的光偏转,而距离中心最远的光偏转最少。

因此,引力透镜效应效应没有焦点,但有一条焦线(所以它不能像光学镜头那样成像)。英格兰的 O.J.Lodge 爵士首先提出了“透镜”这个术语来描述重力对光的影响。他说: “我们不能说太阳引力场像一个镜头,因为它没有焦距。”。如果光源、形成引力透镜效应效应的质量物体和观察者处于一条直线上,那么原来的光源就会出现在大量透镜物体周围的一个环中(称为“ Einstein ring”)。如果没有直线对齐,则光源呈弧形。

连光都可以吸进去的黑洞,人类是如何为其拍照的?

连光都可以吸进去的黑洞,人类是如何为其拍照的?

一亿年来,地球生命眼里所见的星空一直仅有行星、大行星、通讯卫星和陨星我们终于将视野延伸至宇宙深处得到亲眼看到超级黑洞真面目你们应该也被开始那张黑洞的照片刷了屏。超级黑洞,宇宙里最神奇也最迷人的星体之一。在人类已有的认知里,它代表了身亡和永恒不变这种终极问题。超级黑洞,是行星最悲壮的一种归处。当行星的能源被可控核聚变消失殆尽,他就走到了生命的尽头。

如果此时行星的品质够大,当它根据壮观的超新星爆炸结束生命后,剩下来的遗骸便会在没法抵御的引力作用下,塌缩成宇宙空间中密度最大的一个星体——超级黑洞。电脑模拟的超级黑洞外型。极大质量的遗骸也被塞进了极小的室内空间当中,强悍的吸引力乃至扭曲了时光,让四周的一切化学物质都没法逃离超级黑洞的吞食,连宇宙里跑得最快的光都逃不了这一囚牢。

这一连光都逃不了的地区界限,就叫做超级黑洞的视野。此次新闻报道的主角,事件视界望远镜的名称,就由此而来。艺术大师书中超级黑洞的设计概念。周边围绕超级黑洞的盘乳状物即是吸积盘、上边条状物质为射流。该图未考虑到超级黑洞本身所造成的作用力镜片效用对影象影响的。对超级黑洞的观察与研究都极为艰难,连光都难以从虫洞中肇事逃逸出去。

这次的黑洞照片,准确来说,不可以算得上“照相”。一般我们给物件拍照时,实际是照相机接受到了物件发送或是反射面来的英文光源后显像。可是这招在超级黑洞的身上不起作用。超级黑洞自身并不是发亮,都不返光,而是把视野之内的光线都吃掉了,因此超级黑洞肯定不会传送光源给望眼镜,这是“黑”的。

但是,超级黑洞自身不容易发亮,但是它周边会存在一些具有标志性的结构——很多汽体产生旋转汽体盘。还有一部分化学物质磁场作用所以被推进剂出去,这便是超级黑洞的射流。吸积盘和射流都是会释放出来数据信号。拍摄的是视野以外物件在向超级黑洞跌落时,所最终传出的光芒。银河系中心超大质量黑洞“人马座A*”模拟图。最左边图是单纯的仿真模拟,然后三张加了光源被透射后的效果。

给黑洞拍照前,怎样确定这就是黑洞?

题主这个问题问的很有意思。黑洞,顾名思义,就是看不见的洞(废话)。但是如何理解“看不见”,还是需要一点点专业的知识

根据爱因斯坦怹老人家提出来的广义相对论,我们所处的空间充满了引力场,比如重力--我们在地球附近受到的地球的引力;地球绕着太阳转所受到的太阳的引力等等。而质量较大的物体,能够比较明显地将空间扭曲从而使得它周围的物质有向它运动的(落到坑里)的趋势,这就是引力的另一种解释。比如下图中的人造卫星处在地球所扭曲的空间当中无法自拔。只有当人造卫星的速度超过第二宇宙速度,才能突破从这个“地坑”中逃出去。这个速度也称为地球的逃逸速度

随着地球质量变大,逃出这个坑的速度也相应变大。这很好理解:越陡的坑需要越快的速度冲出去。当地球的质量变大到连宇宙中最快的物质——光都无法逃出时,我们就将它称为黑洞:因为它自己发出的光、从它身边擦肩而过的光,都掉进它将空间扭曲形成的深坑当中了。所以,我们是“看”不到黑洞的。

那科学家又是怎么知道“咦,这里有黑洞”的呢?

目前,我们只能采用一些间接方式来探测黑洞的存在,比如观测它周围的吸积盘喷流,它们由于气体摩擦而产生了明亮的光大量辐射,很容易被探测到。

吸积盘:是一种由弥散物质组成的、围绕中心体转动的结构(常见于绕恒星运动的盘状结构)。比较典型的中心体有年轻的恒星、原恒星(protostar)、白矮星、中子星以及黑洞。在中心天体引力的作用下,其周围的气体会落向中心天体。假如气体的角动量足够的大,以致在其落向中心天体的某个位置处,其离心力能够跟中心天体的引力相抗衡,那么,一个类似于盘状的结构就会形成,这种结构就叫做“吸积盘”。在吸积盘中,物质通过较差转动及粘滞向外传递角动量。在这个过程中,气体所携带的引力能得到释放。这些释放的引力能会加热吸积盘中的气体,导致气体向外辐射。

简单来说,比如弄一盆糖稀,把筷子插在中间转,外面的一部分糖稀也会跟着筷子转动起来,越远的地方转动得越慢(当然这个是因为黏性而不是引力,原理上是完全不同的,只是为了便于理解)。通过观察外围转动的糖稀的分布情况,就能大概推测插入筷子的位置。

相对论性喷流(英文:Relativistic jet)是来自某些活动星系、射电星系或类星体中心的强度非常高的等离子体喷流。这种喷流的长度可达几千甚至数十万光年。

喷流的成因至今仍有争议,一般认为相对论性喷流的直接成因是中心星体吸积盘表面的磁场沿着星体自转轴的方向扭曲并向外发射,因而当条件允许时在吸积盘的两个表面都会形成向外发射的喷流。有点复杂……恐怕想搞懂这东西,得要学几节课的天体物理和近代物理了。

总之,黑洞虽然是肉眼看不见的,但是奈何它的小弟们太高调了呀!身边的吸积盘和喷流都是牛逼闪闪充满了霸王色霸气的存在,只要通过观测周围的“真·气场”,就能判定出黑洞的位置,并拍下它(小弟们)的照片。

话虽如此,这张“模糊不清”的照片花了全球科学家们两年的时间才从真·浩如星海的数据中提取“冲洗”出来。而为了获得这些数据,他们绞尽脑汁提高天文望远镜的观测精度,并从无数黑洞中筛选出最适宜观测的黑洞。这张照片的背后是人类最顶尖的智慧结晶,也是物理学通向未来的钥匙。

最后的最后,向百年前就通过数学推导预言了黑洞存在的爱因斯坦怹老人家致敬。数学好的人惹不起啊!

拍照黑洞什么意思?

就是说你很不会拍照的意思,总能拍出黑奇葩的照片。不能让你给别人拍照!不然会很让人失望。

第二张黑洞照片发布,相较于第一张有哪些新突破?

继2019年人类历史首张黑洞照片发布后,又一张黑洞靓照来了!北京时间5月12日21时07分,银河系中心黑洞人马座A*(Sgr A*)的首张照片在中科院上海天文台揭开了面纱。

全球其他5个城市(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国台北、日本东京、美国华盛顿)也都与上海同步公布了这张令天文学家兴奋的照片。

记得当时,已经引起了科学界的轰动,一直存在于理论里的物质。而今天我们又收获了第二张照片。

好吧,让我一同先来回顾一下银河系怪物——黑洞的第一张照片

2019年,“事件视界望远镜(EHT)合作”的国际团队拍摄了梅西耶87星系(M87)中的黑洞图像。这是有史以来首次拍摄的黑洞图像,现已被纽约现代艺术博物馆收藏。

在银河系隐藏着一个巨大的黑洞,它生活在我们银河系的中心,这颗被称为人马座A*的黑洞天体的质量是太阳质量的400万倍,而人类第一次拍摄到这个怪物的模样。

你看到的是黑洞所在的一个中心黑暗区域,由巨大引力加速的过热气体发出的光环绕。就尺度而言,这个环的大小大致相当于水星围绕我们恒星的轨道,大约6000万公里。幸运的是,这个怪物距离我们很远,距离我们26000光年,所以我们不会受到它的吞噬。

EHT使用了一种叫做甚长基线阵列干涉测量(VLBI)的技术来给黑洞拍照。从本质上说,它结合了一个由八个大间距无线电天线组成的网络,以模拟我们星球大小的望远镜。在2019年的时候,他们也拍摄了一张黑洞照片,不过不是银河系中心黑洞的照片。

而今天,我们看到了第二张黑洞照片,这个黑洞,离我们更近。

北京时间2022年5月12日晚9点,事件视界望远镜(EHT)合作组织正式发布了银河系中心黑洞人马座A*(Sgr A*)的首张照片。这是EHT合作组织继2019年发布人类第一张黑洞照片,捕获了位于更遥远星系M87中央黑洞之后的又一重大突破。

看到这张银河系中心黑洞照片,我们都感觉非常兴奋,因为距离2019年4月10号人类首张黑洞照片发布,已经过去了3年。而今,这张宝贵的照片又为我们提出了更多的问题,等待我们去探索和发现。

那么第二张黑洞照片于第一张照片有哪些新突破?

神似“甜甜圈”

发布会上介绍,这张照片为银河系中心超大质量黑洞Sgr A*真实存在提供了首个直接视觉证据,为理解星系中心的“宇宙怪兽”提供了重要线索。

“这是一张期待已久的,关于我们银河系中心的大质量天体的真面目肖像。”据EHT合作组专家介绍,科学家之前已观测到众多的恒星围绕着银河系中心一个不可见的、致密的和质量极大的天体作轨道运动。这已强烈暗示这个被称作人马座A*的天体是一个黑洞,而12日发布的照片则提供了首个直接的视觉证据。

因为银河系中心黑洞距离地球有2.7万光年之遥,所以它的大小看上去与从地球上看38万千米远月亮上的甜甜圈大小差不多。为了给它拍这张照片,研究团队创建了观测利器EHT,由分布在全球六地的八个射电望远镜组成的一个犹如地球那么大的虚拟望远镜。EHT对Sgr A*开展了多个晚上的观测,每次连续采集了好几个小时的数据,就如同相机的长时间曝光。

这是EHT合作组织继2019年发布人类第一张黑洞照片,捕获了位于更遥远星系M87中央黑洞(M87*)之后的又一重大突破。尽管M87*比银河系中心的黑洞大1500多倍,也重1500多倍,但两个黑洞看起来格外相似。

比人类首张黑洞照片更难“拍”

尽管Sgr A*离我们更近,这张照片“拍起来”要比人类首张黑洞照片艰难得多。

来自斯图尔德天文台、亚利桑那大学天文系和数据科学所的EHT科学家Chi-kwan Chan解释道:“黑洞周围的气体均以几乎接近光速绕着Sgr A*和M87*高速旋转。气体绕转M87*一周需要几天到数周时间,但对相对小很多的Sgr A*来说,几分钟内气体即可绕转一周。这意味着在EHT观测Sgr A*时,该超大质量黑洞周围绕转气体的亮度和图案也在时刻快速变化着,有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片。”

来自中科院上海天文台的EHT合作成员路如森说:“确实,对银河系中心黑洞首次成像观测的数据分析耗费了EHT合作团队的巨大心血。”另一位来自上海天文台的EHT合作成员江悟补充道:“研究团队遍历了极大的成像参数空间,才得以确定这张黑洞照片。”

质量和类型区别大

新图片可能看起来与2019年的M87*非常相似,都像一个烤红的甜甜圈,但实际上,这两个黑洞的质量和周围的星系类型都有很大差别。

黑洞本身是完全黑暗的,但黑洞本身被一团明亮的发光气体环所包围,受到黑洞的巨大质量的影响,气体环被黑洞产生的引力所扭曲,同时不断消耗这些气体。

据研究人员测算,此次新拍出的「人马座A*」位于银河系中心区域,消耗气体的速度比M87*慢得多,而M87*位于一个巨大椭圆星系的中心,并喷射出强大的等离子体。

具体而言,M87*的质量相当于65亿个太阳,人马座A*只相当于400万个太阳,前者的范围半径高达105亿公里,后者只有2200万公里。

M87*距离地球非常遥远,达到5500万光年,而人马座A*可以说就在我们「自家门口」,距离地球仅27000光年。

对于一个天文爱好者,对于这样的发现真的超级激动,大家应该看过《星际穿越》因为在电影里面就有一个卡门图雅,当时就非常的好奇,黑洞到底是什么样子,但是听了今天 的报道,顿时觉得人类和黑洞又近了一步。

无论如何,相比较之前的M87,这张照片更显得亲近,因为这是我们自己星系黑洞的照片,而且它的拍摄难度更大。

让我们再一次感谢所有的科学工作者,感谢我们中国参与这项研究的科学家们,让我们一睹银河系中心黑洞的样子,天文探索,永不止步!

网站名标签: 天文学黑洞宇宙物理学天体物理学 上一篇:有哪些适合 4 岁孩子看的绘本推荐? 下一篇: 返回列表

相关推荐相关推荐

最新排行

热门更新

回到顶部