视界面望远镜:为黑洞拍下史上第一张“照片”

<正>做黑洞研究将近20年,我常常被人问到"黑洞是什么样的",说实话,我并不确定。除了在论文课件中自制的效果图,第一次"亲眼"看到黑洞形象是2015年在电影院里,荧幕上是《星际穿越》中的黑洞"卡冈图雅"——深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆环——相对论物理学家基普·索恩为影片设计的黑洞形象(图1),和想象中的相差无几。从广义相对论推知而来的黑洞,就存在于宇宙深处,这一点在21世纪的今天或已无可置疑。     

在大学物理课程中讲授黑洞照片拍摄的探讨

探讨了如何在大学物理课程中介绍史上第一张黑洞照片并进行相关教学的设计和方法.初步的实践表明,对基础良好的理工科本科生,在已具备一定的力学、光学等知识的情况下,讲授黑洞照片拍摄的基本原理和大致形状是可行的.作者希望通过本文的探讨,与同行交流切磋,进一步提高此案例教学的水准,并结合相关教材的修订,将此以适当方式纳入新版教材中.     

试析这张照片的拍摄时间

人教版高中物理选修第7页“科学漫步”栏目提出一个有趣的问题：教材中的照片是在黄昏拍摄的还是在黎明拍摄的（图1）？     

认识黑洞的首个直接“视觉”证据

2019年4月10日,由黑洞事件视界望远镜（Event Horizon Telescope,EHT）合作组织协调召开新闻发布会,全球多地同时发布了黑洞的首个直接“视觉”证据。作为人类捕获的首张黑洞照片,它展示了5500万光年外的椭圆星系M87中心超大质量黑洞的图像,看到了黑洞“阴影”和周围环绕的新月状光环。EHT的此次观测结果从强引力场的角度验证了爱因斯坦广义相对论,有助于研究黑洞的吸积以及喷流的产生。文章着重介绍为什么给黑洞“拍照”,选择哪些黑洞模特“拍照”,如何给黑洞“拍照”,获得的数据经过怎样的后期处理和分析才能生成大家看到的“照片”;此外还将介绍在此次合作项目里的中国贡献,最后对黑洞高分辨率成像领域进行展望。     

黑洞和黑洞蒸发

黑洞是目前的观测尚未最后确认其存在,”但目前的理论确认其应该存在的一种特异天体。黑洞的最大特点就在于它的黑! 早在1795年,拉普拉斯就曾基于一种极简单的考虑,认为有可能存在这种特异天体。 考虑一个质量为M,半径为R的球形天体,自球面沿径向以初速v射出一质量为m的物体,它的脱离速度为可看出,脱离速度是一个与抛体的质量无关而仅决定于比值M/R的量,差M/R足够大,以致 只要承认光线也要受到重力的影响,光速是一切信号速度的上限,那应当一颗星的半径 gGM—-.r小于临界值’。”-W时,星光就要被重力拉回来,任何信号都到达不了远处观测者…     

数学黑洞和物理黑洞

 黑洞,作为宇宙中一类特殊的“星”,由于它不容易被看到但却能将其近旁的物质无情地吸人和粉碎,从而牢牢地抓住了广大公众的想象力。在数学中则存在着另一类“黑洞”,它同样能引起我们探究的兴趣。     

黑洞

正如太阳一样,绝大多数恒星都是靠耗内部的核燃料,释放能量以产生足够的压力来抵抗自身引力的。当经过足够长的时间后恒星耗尽内部的核能无法维持向外的压力,恒星就由于自身的引力开始坍缩．随着恒星的收缩其表面的引力场就变得越来越强大．物质想要从它逃逸所需的速度就不断增加．当坍缩到某一程度时,逃逸速度就大到了光速,以致光都无法逃离该星,也就是说从该恒星发出的光会被引力场拖曳口来．由狭义相对论知没有什么东西的速度能超过光速,这就意味着此时恒星上的任何东西都无法从该星逃逸．其结果就形成了一个黑洞．但需要强调的是…     

黑洞

 自从宇宙原初火球发生大爆作以来,两百亿年过去了,宇宙间的万事万物,都在不停地发生着变化.而唯一不变的,就是时空的拓扑结构.在我们的时空拓扑的框架之内,大质量星体演化的最终产物之一,就是黑洞的形成.现代广义相对论理论预言,黑洞将大量地存在于我们的宇宙之中.所以,我们说黑洞不仅是天体物理学家的研究对象,而且是一些科幻小说家的热门话题.     

黑洞物理

什么是黑洞?通常的答案是:黑洞是非常致密的天体,它的引力是如此之强以致连光也无法逃逸。而在广义相对论中,它的定义是\     

原初黑洞

本文介绍了半经典量子引力论和霍金蒸发,讨论了原初黑洞性质,着重介绍了背景辐射四极矩各向异性的发现以及用大统一理论和原初黑洞蒸发解释宇宙物质非对称问题的讨论。     

量子黑洞

黑洞首先由英国的John Michell在1783年构想出,他说：“如果一个和太阳同样密度的球的半径与太阳半径比例达500：1,……所有从这个物体辐射出的光将会被它自己的引力吸引回来”。13年后,Pierre Simon Laplace针对存在可囚禁光的“不可见物体”提出了独立证明。     

黑洞趣闻

 人们常把“黑洞”、“白洞”、“空洞”称之为宇宙三怪.美国“哈勃”太空望远镜发回的NGC7457照片,使众多的天文学家为之鼓舞.因为围绕黑洞是否存在,人们已经苦苦追寻它将近200年了.由中国科技大学研究生院丁亦兵教授编译的《黑洞趣闻》系列文章,妙趣横生地叙述了人们是怎样探索黑洞这一当代科学“六大悬案”之一的奥秘的,希望有更多的学者、科普作家写出这类好文章.     

黑洞趣闻

 在前一篇文章中我们曾指出,星球的大小越接近引力半径,时钟走得越慢.这就是说从一个远离黑洞的观察者看来,黑洞附近强引力场中任何过程的进程都变慢了.     

黑洞面面观

 黑洞是目前物理学和天文学研究的一个热点。黑洞性质涉及到物理学的基本规律和时空属性,现有的发现暗示人们:热力学与时空性质之间可能存在着深刻的内在联系,对黑洞理论的进一步探索有可能导致物理学的另一场革命。因此自20世纪60年代以来,黑洞研究吸引了越来越多的爱好者的注意。特别是自1973年霍金发现黑洞存在热辐射之后,黑洞理论已发展为一个包括量子论、相对论、统计物理、天体物理和微分几何在内的多学科理论,黑洞研究已成为多学科的交叉点。黑洞的形成黑洞是如何形成的呢?我们知道:通常的恒星是靠万有引力的吸引效应将物质聚集在一起。     

从Schwarzschild黑洞到极端Kerr-Newman黑洞

考虑Schwarzschild和Kerr-Newman黑洞的度规场和电磁场张量,研究了落入黑洞的物理粒子.得出结论:任何物理粒子落入Schwarzschild或Kerr-Newman黑洞的演化过程要满足δA≥0和δκ≤0两个条件,得出了不能通过有限次操作使Kerr-Newman黑洞的温度降低到绝对零度,从而变成极端Kerr-Newman黑洞,刚好与第三定律相符.还讨论了Kerr-Newman黑洞趋于极端情况时,其面积的变化趋势,提出了黑洞负热容的影响以及熵的重整化问题. 关键词：     

寻找黑洞

恒星在死亡时将发生什么变化？这是天文学上一个非常自然的问题．自从３０年代以来，已经提出了各种理论来回答这一问题。这些理论预言有超新星、白矮星、中子星和黑洞的存在，前两个已是现在比较熟悉的天体了．１９６８年发现了脉冲星，它被证认为比寻常恒星致密得多、引力场强得多的自转中子星．可是大质量恒星在中子星状态也不可能是稳定的，它的末期演化到什么状态？有没有比中子星更致密、引力场更强的天体存在？这些问题都涉及到这些预言中最奇特、最不易理解的黑洞概念． 什么是黑洞呢？简单地说，黑洞就是一个其逃逸速度超过光速的…     

原初黑洞

本文介绍了半经典量子引力论和霍金蒸发,讨论了原初黑洞性质,着重介绍了背景辐射四极矩各向异性的发现以及用大统一理论和原初黑洞蒸发解释宇宙物质非对称问题的讨论。     

黑洞的合并

最近利用引力观测所的激光干涉仪（Laser Interferometer Gravitational—Wave Observatory，LIGO）和空间天线激光干涉仪（Laser Interferometer Space Antenna LISA）的探测器对两个黑洞在碰撞时辐射的引力波进行了精确的观测与计算．两个黑洞进行碰撞时，在它们的周围会向外发射出巨大的突发性的引力波，这些波非常有利于探测器对它们的搜索．     

黑洞量子理论

简述引力场中物质的量子效应——黑洞的Ｈａｗｋｉｎｇ辐射，并进一步讨论黑洞的量子理论，给出一些结论。