天文学
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最后更新:2023年5月6日

黑洞的阴影

黑洞的阴影
黑洞是不可见的,它是这张毫米波段(波长1.3毫米)图像中心的一个点。M87星系黑洞周围暗色的中心区域是黑洞的阴影,即事件视界的球面。橙色和黄色部分是围绕黑洞旋转的电离气体。电离气体中较亮的黄光是由相对论性多普勒效应造成的,这使得朝向我们的光比远离我们的光更亮。2019年4月,天体物理学家揭示了这一简单、模糊且不对称的黄橙色光环,它让人联想到黑洞。图片来源:EHT干涉仪(事件视界望远镜)。

黑洞的环境?

黑洞本身:没有光线能够到达观察者

黑洞是一种迷人而神秘的天体物理对象,它挑战着我们的认知。其质量极高而体积极小,是时空中的一个洞,或许是一个点!我们称之为奇点。正因如此,我们永远无法直接看到黑洞,只能观察到它周围出现的现象,并借此定义它的存在。

事件视界:

在黑洞周围的区域,逃逸速度等于光速(Vech = c)。

根据逃逸速度,我们可以计算出这个区域的半径,称为事件视界,公式为 V²ech = 2 GM/R。

黑洞的半径,即对应事件视界的半径,与其质量成正比,公式为 r = 2GM/c^2(史瓦西半径),其中 G 是引力常数,M 是黑洞质量,c 是光速。

例如,对于一个太阳质量的黑洞,我们得到其半径为3公里;换句话说,一个像太阳这样半径为696,340公里的球体,需要被压缩到3公里才能成为黑洞。

黑洞的影子

黑洞的阴影是阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)的广义相对论所预言的一种现象。

由于黑洞的强烈引力,光无法逃脱其在时空中形成的黑暗球形区域。这一区域代表了黑洞的阴影。光线被黑洞的引力如此强烈地弯曲,以至于被困在这个区域中,在我们看来呈现为黑色。

在这张图像中,黑洞的阴影跨度为一光周(约186亿公里)。黑洞的阴影并非黑洞本身,而是其显现。

“事件视界”与“黑洞阴影”的区别:

黑洞的事件视界和阴影是两个不同的概念,但密切相关,因为它们代表了同一空间区域。

事件视界是一个假想的球面,标志着时空区域的边界,在该区域内引力场强大到足以阻止任何物质或辐射逃逸。

黑洞的阴影是图像中观测到的一个黑暗区域,由光子被引力捕获所致。它并非代表物理体积,而是天空中一个投影区域,来自背景物质或轨道的光线无法抵达观测者。这一阴影由靠近“光子球”(位于事件视界之外)但被偏转并坠入黑洞的光线形成。

换句话说,黑洞阴影的形成是由黑洞周围的光线弯曲效应造成的。

来自黑洞背后的光线会沿着扭曲时空的轮廓发生弯曲。这种弯曲程度如此之大,以至于光线无法抵达遥远的观测者,从而在观测者的视野中形成一片黑暗区域。

总结:黑洞的阴影是天空图像中出现的一个黑暗区域,对应着没有光线能够到达观测者的角度方向。它并不对应事件视界内部的物理结构,而是由过于接近黑洞而被引力捕获的光子所导致。这个阴影的范围远超视界,其表观大小由从“光子球”螺旋进入黑洞的临界零测地线决定。

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