光子恒久远,一颗永流传:黑洞之光是怎么形成的?

果壳网 5月前 ⋅ 41 阅读

说到黑洞,大家最为熟悉的大概是科幻电影《星际穿越》中那个著名的 ' 角色 ' ——黑洞卡冈图雅吧。这个黑洞长这样:

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从它的 ' 照片 ' 上我们发现,卡冈图雅看起来很亮,并不是想象中的一团漆黑。

你有没有觉得奇怪,黑洞的定义明明就是任何物质一旦掉进其中就无法再出来,即使是光也不行,所以 ' 黑洞 ' 就是黑乎乎的洞,应该是漆黑一片啊,这光又是哪儿来的呢?

吸收一切的黑洞还能发光?

首先要说明的是,《星际穿越》并没有搞错,黑洞的确可以 ' 发光 '。这部电影有一位非常厉害的科学顾问,他就是引力波的发现者、在去年刚刚获得了诺贝尔物理学奖的基普 · 索恩教授,索恩教授不久前还来中国做了巡回演讲。很显然,这样的物理学家是不可能犯这种低级错误的。而且索恩教授还特别说明了,电影里面的黑洞的图片是他的团队根据广义相对论理论,用超级计算机精确计算得到的,他们的计算结果还发表了学术论文。所以根据广义相对论理论,这个黑洞的图片是没有问题的。

2017 诺贝尔物理学奖得主基普 · 索恩。

图片来源:facebook

至于为什么,有人想到了霍金辐射,然而这不是答案。因为超大质量黑洞的霍金辐射非常微弱,根本无法被观测到,而且宇宙中所有已知黑洞的霍金辐射(假设霍金的黑洞辐射理论是正确的)也都无法产生足够的光被观测到。

所以我们又回到了起点:这个黑洞周围的光是哪里来的呢?

存在 ' 永恒之光 ' 吗?

关于黑洞的光从哪里来这个问题,另一个猜想是:难道光会像一颗卫星一样永远围着黑洞旋转,成为真正的永恒之光?

先说答案:原则上是会的,但是实际上我们看不到。

黑洞周围不可能是绝对的真空,总会有一些气体,这些气体在落入黑洞的过程中会把引力势能转化成气体的动能,也就是说气体的温度会升高。而高温的气体就会发光,因此会产生光。但是,如果如果这些光和这些气体一头扎进黑洞里面,我们也并不会看到这个图片上的黑洞周围明亮的 ' 晕 '。

艺术家设想的黑洞平面图。图片来源:Phys.org

卡冈图雅外面之所以会产生这个明亮的 ' 晕 ',原因就在本段开头那个问题之中——在黑洞周围,光线会像卫星一样绕着黑洞转圈,变成 ' 永恒之光 '。

但是,既然光子不能逃出来,处在黑洞远方的我们自然也不能看到这些光线,那这个黑洞为什么又能看起来这么明亮呢?真正的原因就在于 ' 如果没有任何干扰 ' 这个条件不可能成立。

逃离亚稳态!

黑洞周围物质的运动总是会对光子产生干扰,同时由于这个轨道是 ' 亚 ' 稳态的,而不是绝对稳定的,所以稍微有一点干扰,光线就会偏离这个轨道,最终或者掉进黑洞,或者逃出来被我们看到。由于这些被我们看到的光子都是差不多从这个轨道处逃出来的,所以看起来这个轨道附近就特别明亮。

总结来说,光子旋转着来到黑洞视界附近,会进入亚稳态轨道,由于轨道并不稳定,其中一部分光子会从轨道逃出来被我们看到,也就形成了我们如卡冈图雅周围的明亮光晕;至于那些没逃出来的光子,无论是掉进了黑洞,还是继续停留在亚稳态轨道上(概率很小),我们都无法观察到。

NASA 拍摄并经过后期处理的黑洞 ' 照片 '。

图片来源:apod.nasa.gov

然而实际上,尽管理论上存在这样的光晕,但如果我们用天文望远镜观察的话依然是看不到这么明亮的黑洞的。原因很简单,我们离黑洞太远,从黑洞附近的 ' 亚稳态 ' 轨道逃到我们这里的光线实在是太弱了。同时由于我们目前已有望远镜的分辨率也还远远不能达到分辨出来黑洞的程度,所以我们暂时还不能看到《星际穿越》里面的黑洞的真实模样。

但是未来,更强大的天文望远镜是有可能看到这样美丽的黑洞照片的,很值得期待吧?当那一天到来的时候,肯定又是燃爆朋友圈的全球大新闻!


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