黑洞图片的可视化原理 (黑洞照片说明科学)

黑洞的原理和结构图,黑洞简介和照片

黑洞的吸积盘是平坦的圆形状

2019年4月10日世界上的第一张黑洞照片就呈现在我们面前了,这个100年前就预言存在的天体,我们终于见到他的真面目了,但是这张照片真的是黑洞的真实面目吗?这张黑洞照片,我们是从什么角度看到的呢?这个吸盘他是正对着我们(那我们看到的是一个圆形的图片 ,如下图),还是和我们的视线平行了啊(我们会看到是一个扁平的线,如上图)?

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正确答案是几乎是正对着我们的,这个吸积盘中心的这个法矢量指向我们右方偏下的位置,和我们的这个视界形成的夹角是大概17度左右。那么这个17度的夹角是怎么来的呢?这个数据是根据哈勃望远镜拍摄了一张m87的一个喷流的照片估计测算出来的,就是最早的哈勃望远镜拍摄了一张m87的一个喷流的照片啊,通过这张照片仔细看m87的黑洞照片,会发现这张照片从左上到右下爱他是有一个相对较亮的暗影。这个暗影和哈勃拍摄的喷流的照片符合得很好。

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但是我们看到的黑洞为什么是上暗下亮呢?如果一束光射向远处远离我们,那我们看到的这束光会越来越暗,如果这束光是射向我们,离我们越来越近的光就会越来越亮。黑洞的吸积盘是会自旋的,自旋过程当中,肯定有一部分光离我们越来越近,也有一部分光离我们越来越远。打个比方,一个圆向我们滚来,圆的上方就离我们越来越近,圆的下方就离我们越来越远,黑洞自旋就像圆那样。

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黑洞是怎么自转的,结合刚才说的这个17度的倾角,就能判断出来这个黑洞的旋转方向,自旋方向就是面对我们顺时针转。在随后发布的官方论文中,这个明暗对是由黑洞的自旋决定,那黑洞的自旋又是什么呢?黑洞其实就是一种大质量的天体,理解黑洞的自旋可以一定程度上理解成地球的自转。我们描述电子的自旋方向一般使用0、+1、-1表示,它表示这个角动量的一个参数,+1和-1分别表示自旋的两个方向,0表示不自旋。判断自旋方向就通过右手定则来判断,4只手指就代表旋转方向,大拇指就代表自旋方向。

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这个黑洞是正面对着我们,但是如果吸积盘和我们的视线是平行的,我们会看到什么呢?正常考虑可能就是一条长长的吸盘的一个投影对吧?理论上还不是你还会看到一个接近于圆形的一个结构啊,原因就是有这个强烈的透镜效应造成的,我们能想象的到的最真实的样子,就是2014年这个电影星际穿越当中的卡冈图雅黑洞,这个黑洞可不是随便做的,星际穿越的科学顾问就是大名鼎鼎的史蒂芬笋,他是惠勒的学生,并且在2017年还因为引力波探测另外两个人获得了诺贝尔物理学奖,就是损根据理论模拟出来的啊,所以这是出自一位诺奖得主之手,因此卡冈图雅黑洞也被人们称作是最理想当中的黑洞,我们在电影当中看到的这个卡冈图雅就是吸积盘,几乎是和视线是平行的,但是因为黑洞的强引力透镜效应啊,这个光线被极度的弯曲。使我们能够看到它的后面。所以大家看到的这个黑洞的上面和下面啊,并不是真正的上下面,而是后面的这个吸盘,形成的像分裂出来的。而且无论你从哪个角度去看啊,只要你和这个吸盘是平行的,那你看到的就会是这个样子啊,这个模拟是经过严格计算,唯独有一点没体现出来,就是多普勒效应带来的这个亮度的差异。

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A天体被B天体挡住了,只要B天体引力足够大,我们依然可以看到A天体

那什么是引力透镜呢?简单理解就是光线被大质量物体弯曲了啊,你比如说我们看这个池塘里的水看上去好像不怎么深,跳下去水会发现还挺深的,因为我们看到的是折射所形成的像。再比如说放大镜,为什么放大镜看东西会被放大呢?因为我们看到的是光透射所形成的像,而引力透镜顾名思义就是引力充当了放大镜了呗,那如果我们和看见的这个天体A之间存在着一个大质量的天体B,那我们看到天体A就会是经过引力透镜(B天体)所形成的像。

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假如呢,说在我们正前方有一个大质量的天体E,它具有很大的质量,引力大到足以弯曲光线,在这个天体E存在着一个发光的天体F,那我们能看见天体F吗?正常下肯定是看得到的,虽然天体F被遮挡了,但如果光线发生弯曲,这个发光发热的天体F发射出的光线在经过大质量天体E的时候恰好被弯曲了,然后射入到我们眼睛,那我们就能看见。但是我们看到的会是这个光线反向延长线的投影,所以它就不是原来的它了,可是光线她不一定只走右边对吧?应该是这个都会经过发光天体的光线啊。理论上我们就应该看到一个发光的圈,前提是说这个人眼、大质量天体E、还有这个发光物体F,它的三点一线啊,这种情况下形成的这个光环就叫*爱做**因斯坦.根据这三者相对位置的不同形成的像也不同,一个、两个、三个等等,根据现有的理论,如果是一个星系充当这个大质量天体啊,或者说这个大质量天体可以透过光线那么所形成的像一定是奇数。如果要是黑洞这类天体碰到这个大质量天体,那一般就是成两个相或者是一个环,这也是有严格的数学推导,但是需要澄清一点,就是理论上可以成效,但不代表我们能看见啊,比如说它可能成了5个像,我们可能只能看见4个像,刚才咱们说的这个能成像这都算是强引力透镜效应。

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相对的还有透镜效应,就是虽然它不能成像,但是足以改变物体本来的样子。其实我们观测到遥远的宇宙不一定是它本来的面貌,而是经过各种引力透镜折射之后形成的像,这些光线弯弯曲曲的射进入到我们的视野里,所以你看到的就已经不是真实的宇宙了。

我们看到的这张黑洞照片也会受到引力透镜效应的作用,就是它可能本来是一个很单薄的一圈吸积盘,但是由于这个引力透镜它会形成多个小重叠在一起,使整体的亮度被加强了,所以严格的说这张照片也不是本来的面貌,就像这个卡冈图雅黑洞一样。

总之关于黑洞其实我们还有很多未知的地方,也有很多搞不清楚的地方,但是这张照片的出现了还有另外一个意义,就是他和理论预言的几乎一样,这就表明前人所有的努力都没有白费,这样科学家才有动力继续去研究。这也算是给研究黑洞的物理学家打了一针鸡血,搞科研是最需要这种振奋人心的消息。用通俗易懂的语言去解释这个世界,让我们一起通过物理去认识这个世界,文章中可能有一些专业术语使用了一些通俗易懂的例子,但是真正的理论并非那么简单。