专家为你介绍第一张黑洞照片如何得来Youtube视频

各位同学 大家好 我是李永乐老师

最近全世界的科学爱好者都被一个消息刷屏了

那就是人类历史上第一张黑洞照片诞生了

有小朋友就问我说

说黑洞不是连光都吸得进去吗

为什么还能拍照片呢

黑洞照片两年前就拍了 为什么到现在才公布呢

今天就给大家介绍一下这方面的知识

我们为了介绍这个黑洞照片

首先我们先从望远镜的基本原理说起

望远镜

可能我们小的时候家长都给买过一个望远镜

用来观察着远处的东西

眼睛要想看到物体 我们需要两个条件

哪两个条件呢

第一个条件就是光强要够

如果发的光太弱了 离我们特别远

我们就看不清了 对吧

除此之外 还有一个就是光线的角度要大

比如说 如果两个不同的点发出的光线的话

那么它们的光线会成一定角度进入我们的眼睛

如果这个角度特别特别小 我们分辨不开

看起来就是一个点 如果角度比较大我们才能分辨开

看出来是两个点

所以我们就可以解释

为什么遥远的星星看起来都是一样的 对吧

就是一个点没有形状 就是因为角度太小了

那么我们来画一个示意图

这是人的眼睛 有一根光线照射到人的眼睛里面

此时会在A点成一个像 A点有感光细胞

另外一根光线也经过人的瞳孔

然后照到了这个B点 也会成一个像

但大家注意A和B这两个点

它所成的像并不是一个真正的点 而是一个光斑

这是因为什么呢

这是因为在光线经过瞳孔的时候会发生衍射现象

所以一根光线过来绝对不会成为一个点

而是变成了一个光斑

那这个光斑它有可能会交叠到一起

比如说如果这两个光斑叠成这个样子的

看起来连成一片了 那就有可能会分辨不出来

那么卡文迪许实验室的主任瑞利 第三代瑞利男爵

提出了一个判据 他说

假如这两个光斑的中心距离叫x 对吧

这两个光斑的中心间距大于光斑的半径

它就是可以分辨的

这个我们就称之为瑞利判据

瑞利判据就是说如果这两个光斑隔的比较远

我们就能分辨

瑞利判据要求x必须大于半径r

这个x是两个圆心的间距 r是光斑的半径

在这种情况下它才是可分辨的

如果我们仔细推导的话 瑞利判据经过计算

它的数学表达式是什么呢

就是如果你想可分辨

那么这两个光线之间有一个夹角 这个夹角叫θ

这个θ角必须怎么着 必须大于一个数据

叫1.22倍的λ/d

这里面我们解释一下

这λ是什么 这λ是光的波长

这个d是什么

d是这个孔径

这个是孔径

也就是说波长越长 你所需要的这个夹角就得越大

孔径越小 你所需的夹角越大

如果夹角小于这个值的 你是无法分辨这两个点

因为它看起来光斑会重叠 对吧

我们举个例子 比如说一个人

他对于多长的光最敏感 550纳米

这个是绿光 人对这个光是最敏感的

那么人的孔径就是这个人的瞳孔

虹膜这个孔径大概是多少 大概是五毫米

如果我们把这两个数据代进去的话

我们得出结论

就是人眼可分辨的这个角度会大于…

把这个数据代到这里边去

最后算出来的是1.34×10^-4弧度

也就大概是多少 大概是0.008度

也就是说人眼能够看到的光线夹角必须超过

否则人的眼睛看成就是一个点了

那么我们要想看到远处的物体

我们就得提高人眼的这两种能力

一个是我们要让光强变得更强 收集更多的光线

第二个就是要让光线的角度变大

于是人们就发明了望远镜

要说望远镜 咱们首先先从折射式望远镜说起

最早人们发明的望远镜都是折射式的

比如说 伽利略就运用折射式望远镜去观察天体

伽利略的望远镜原理不复杂

它基本原理就是这样

他有一个凸透镜

然后还有一个凹透镜

这个凸透镜和凹透镜是共焦点的

这个凸透镜的焦距f1比较大

凹透镜的焦距f2比较小

但它们的焦点是在一块

然后假如有一个光线平行于主光轴入射

我们初中就学过 平行于主光轴入射的光线会怎么样

会汇聚于焦点 对吧

它就想往这个焦点照

但是还没等到焦点 它就被这个凹透镜给拦住了对不对

凹透镜的作用是

如果延长线过焦点的光线会平行射出

所以它又会水平射出 这就实现了什么呢

实现了平行光经过这么一个系统变成平行光

实现了光线的汇聚 是吧

光线本来是宽的后来变窄了 进到你眼睛里了

所以增大了光强

不仅如此 假如你入射光线稍微弯一点

两个光线成角的话

你会发现出射光线的角度比入射光线要大

所以它实现了放大

而且这个放大率我们还可以算

其实就是这俩焦距之比

这个f1/f2 就是它的放大率

伽利略当时用他发明的望远镜去观察天体

他发现了什么 发现了月球表面的凸凹

所以证明了这宗教说月球是完美无瑕的这句话是错的

他还发现了木星的卫星

这件事让宗教非常恼怒

因为宗教认为说所有的星球都是围绕地球转的

结果你发现有星球围绕木星转

你是不是跟我作对 对吧

把他抓起来了

除了伽利略以外 还有一个人

就是跟他同时代的叫开普勒

这个开普勒就是开普勒三定律那个人

开普勒他也发明了自己的望远镜

开普勒式望远镜它是两个凸透镜

两个凸透镜

焦点在中间 它们也共焦点

左边有一个焦距f1 右边有个焦距f2

也是共焦点

这样一来平行光入射之后会汇聚于焦点

汇聚于焦点之后

经过焦点发出的光线

经过第二个凸透镜又会变成平行光

你看你又实现了什么一个宽范围的光线

变成窄范围的光线 实现了光强的增大

同时如果入射光线有夹角的话

这个出射光线夹角更大

实现了角度的放大

这两种望远镜都是人们用的比较早期的望远镜

早期的望远镜有一个问题就是它会有色差

就这个光线经过折射会有色差 模糊不清

后来人们想我们怎么样把这个色差消除呢

于是人们又发明了一种望远镜 叫反射式望远镜

我不用折射了 用反射

比如说最早牛顿就发明了反射式望远镜

牛顿的望远镜原理大概是这个样子的

就是有一个反光面

然后让光线照到反光面上

照完了之后光线就往中间汇聚

按说应该汇聚到焦点上

但是还没等它汇聚到焦点的时候

牛顿就用一个45度的反光镜把它收到了

收了之后 这个光线经过反光镜往上折 往上折

再经过一个凸透镜 它就又变成了平行光了 是吧

这样也可以实现光线的汇聚

同时还可以实现角度的放大

所以牛顿通过这种方法发明了自己的望远镜

现代的射电望远镜

其实跟这个反射式望远镜的原理是差不太多的

好 但是这些个望远镜它都是光学望远镜

光学望远镜是工作在可见光的这个范围的

它是光学望远镜

它的工作的光是可见光

光学望远镜 它是有它的问题的

什么问题呢

光学望远镜的问题在于因为你是工作在可见光范围

它的波长很短 可见光的波长10^-7米 这个量级

因为波长短 所以易被大气进行散射

进大气的时候可见光就会被强烈的散射

所以你很难观察到清晰的图像 那怎么办呢

人们就想了两个办法

第一个办法是你不是说有大气吗

大气把我散射了 对吧

我跑大气外边不就完了吗

所以人们就在外太空安了一个望远镜

这就是著名的哈勃望远镜

人们通过哈勃望远镜

观察到很多很多以前没有看到的东西 是吧

除此之外 还有一个方法

你说可见光波长短 我不用可见光行不行

我用红外或者微波

我用红外或者微波 用这种波

这种波它波长长 它就不容易被大气散射

可以直接照到地面上 对不对

于是人们把工作在这种范围内的望远镜

就称之为射电望远镜

但是射电望远镜的基本原理

其实跟这个反射式望远镜差不多

就是这个红外或者微波被一个巨大无比的锅盖收集起来

收集起来之后 进入到一个镜头

或者进入到一个什么分析仪器上

我们就能看见远处的星星了

那么现在给黑洞拍照片的其实也是射电望远镜

好 下面我们就来介绍一下

这次给黑洞拍照片的这个技术

这个技术就是基于射电望远镜的

它的名字叫做甚长基线干涉技术

甚长基线干涉技术 这个技术叫VLBI

说我们为什么要用全球很多个地方的望远镜

一起来看黑洞

为什么在一个地方就不行呢

这个跟射电望远镜的特点有关

我们刚才已经说过了

如果我们想可分辨的话要满足瑞利判据 对不对

而对于射电望远镜来讲

射电望远镜的特点是它的光的波长比较长 是吧

它的波长比较长

而且我们为了分辨很遥远的星球

我们要求它可分辨的角度θ它必须要小

咱们来看这个公式

在波长很长的时候要让θ很小 唯一的方法是什么

要让d尽量的什么 大一些对吧

所以它的孔径必须得非常大

孔径d必须得大

比如说我们中国有一个特别大孔径的射电望远镜

就是那个Fast中国天眼 Fast在贵州 是吧

这个Fast它的工作波长是0.1米左右

它的孔径d达到了500米这么大 是吧

它为什么要搞这么大

如果你这个孔径太小的话

你根据瑞利判据你是没有办法分辨很小的角度的

那你为了看到很遥远的星球 对吧

看到它们的结构 你就必须得用一个很大孔径的

所以世界上各个地区都在建设大孔径的射电望远镜

那么如果我们想观测到黑洞的话

我们需要多大的一个射电望远镜 这个我们得算

比如说 我们现在观测两个黑洞

有一个黑洞是室女座 处女座的这个M87

这个黑洞 是吧

这个黑洞大概有多大呢

它的尺寸大概是1000亿公里

那这个是非常大的一个孔径

但它们离我们也非常远 是吧

有5500万光年

这么远 到我们的眼睛 在这儿

这个时候这个很大尺寸的黑洞到我们的眼睛

就会有一个角度

那这个角度我们就可以算出来 这个角度非常小

大概是多少 1.2×10^-8度 这么小

你必须把这么小的一个角度给我分辨开

人的眼睛是没戏的 对吧

人的眼睛最多只能分辨0.008度

人家是1.2×10^-8度

那这么小的一个角度你怎么去把它放大呢

要用射电望远镜 咱们来算一算

我们这个射电望远镜它用的波长大概是1.3毫米

如果我们把这个角度代入到瑞利判据去算

你就会发现 这个孔径d它必须得大于8000公里

也就是说你得造一个8000公里那么大的一个锅盖

你才能够把这个室女座的这中间黑洞给看清楚 对吧

但是你在地球上地球的半径才6400公里

你怎么搞出个8000公里的望远镜

这就使用了这个技术了 就是VLBI技术 是吧

它的这个做法是什么

VLBI它的做法就是我们其实并不一定

非得把地球上造出这么大的一个望远镜

比如说这个反射式望远镜 我们光在这两个地方反射

其他地方我可以擦掉 对不对

所以人们就想到一个办法

说我们在地球上不同的部位

这是个地球

我们在地球上不同的部位分布的放一些望远镜

然后让这个光线照射到望远镜上

然后我们这个望远镜把这光线给反射回来

反射到同样的一个地方 是吧

反射到同样一个地方

这些光线一反射我们根据这些数据一处理

我们就可以看出来了吗

它其实并不需要真的把这些光线反射到一个地方

而是他只要把这些数据记录下来

然后通过电脑去合成就可以了

那么为了保证同步他们必须得有一个什么

得有个原子钟 对吧

它通过原子钟高精度的对齐时间

然后记录数据 记录数据之后用计算机处理

这个技术就叫VLBI技术

那么人们利用VLBI技术最成功的一次就是这回了

我们观察黑洞 观察黑洞这件事很早以前就开始了

在2012年的时候

美国亚利桑那州一大堆天文学家们开了个会

说我们要观察黑洞

怎么观察呢 就用这个VLBI技术 是吧

然后给这个计划起了个名字叫EHT

EHT叫事件视界望远镜 是吧

就是把这些望远镜组合起来起了个名字

那么这个计划观察的目标有两个

一个就是银河系中心的那个黑洞

银河中心有一个黑洞 这个黑洞离我们比较近

但它也没有那么大

还有一个就是室女座那个M87

我们这次拍的照片就是M87

它非常大 但它离我们很远

这两个黑洞看起来差不多大 看起来差不多

然后他们在什么时候开始观测的

就是在2017年 两年以前 2017年的4月

全世界八个地方的射电望远镜

同时对着这两个黑洞进行观测

连续记录了五天的时间

说为什么还要记录那么长时间拍一下不就行了吗

不行 为什么

因为这些个望远镜它的光强不够 对吧

随着地球的自转 它得多记录一些数据

地球一转 那望远镜不就看起来更多了 对不对

每个望远镜的位置都会变

这样一来他就观测了五天 记录了五天的数据

这个数据量非常大 大概有多大的数据量呢

大概有十个Pb

十个Pb是什么

一个Pb是1024T

1T是1024G 1G是1024M 对吧

所以这个P是非常非常大的一个单位

这么多的数据我们用网线来传不行

为什么不行 因为有些观测站在南极你知道吗

那地方没有网线

只能靠硬盘

南极那些硬盘往回运就等了好多个月

为什么 因为南极很多个月都是不能飞机的

所以他们等了很长时间

后来把硬盘运到了两个地方

一个是德国的马克斯普朗克射电所

还有一个就是美国的麻省理工学院

然后在这些地方他们就对这些数据进行分析

你要知道对这些数据进行分析其实是非常复杂的

为什么呢

首先就是说这数据量非常庞大处理起来很困难 对吧

其次还有一个问题

就是你其实并不知道黑洞是什么样子的

你要通过这些数据去勾画出黑洞的样子

这就好像有一个人 他遭遇了歹徒到了公安局

公安局的人问他说歹徒长什么样

我给你画个像 是不是

你要通过他描绘的这些东西来画个像

那么假如我们找一个人来画的话

那这个人就有可能

往他自己心目中歹徒的样子去画 对吧

他觉得歹徒长这个样他就画成这个样子 是吧

那我们为了避免这种现象怎么办

我们就得找不同的团队

用不同的方法去还原这个数据

如果我们发现最后的数据是一样的

我们就说黑洞就长这样

如果说他们的数据不一样 结果不一样

怎么办 重来

什么时候大家都统一了

什么时候黑洞就长这个样子 对吧

所以我们现在看到的黑洞照片

是很多个团队一起做出来的

最后他们都统一认识就长这个样子 是吧

最后咱们还可以再说一下

就是关于这张黑洞照片

它给了我们什么样的一些信息

我们首先来说一说黑洞是什么

爱因斯坦告诉我们

说这个大质量的天体可以引起时空的扭曲

比如太阳就是大质量天体

它就会引起时空的扭曲

但是太阳对空间和时间的扭曲程度不大 是吧

所以地球可以在太阳的旁边一圈一圈转

如果有一个光 一个物体光速运动

那它不管在什么位置它都可以逃离太阳 是吧

因为太阳的这个引力势阱不够深

但是如果是黑洞的话这就不一样了

黑洞就说明它的引力势阱非常的深

于是黑洞会出现一个边界

这个边界叫视界

出现一个视界

中间这个点叫奇点

奇点就是势阱最深的那个点 密度无穷大的点

如果要是光在这个视界外边

它还是可以跑掉的 因为光速比较大

就好像我们那个小球 小球有点速度

就可以从这个山坑里边跑出来了 是吧

就可以跑掉

但是如果这个光是在视界里边

它是绝对不可能再回去的

因为它速度就算达到光速它也出不去

它只能往中间的奇点里掉 最后就掉进去了 是吧

所以一切进了视界的东西

它都不可能再出来 包括光在内

那有人就要问了

说这个黑洞的所有的东西都已经进到奇点里边去了

我们不就看不见黑洞了吗

没关系 它视界外边还有些东西吗

就比如说我们昨天看到的黑洞大概长这个样子

中间其实就是一个奇点

但是这个奇点我们是看不见的 它是黑的

奇点附近有一个视界

这个视界里边我们也什么都看不见

但是外边有一个圆形的这个亮斑 这是怎么回事

就是因为奇点会对周围的恒星有引力

于是恒星的一些物质就会被吸引到奇点附近

绕着这个奇点这个转

所以这些物质就可以被我们所观测到

它其实没有进入视界 它是在视界外边 对不对

为什么会发光 因为恒星过来的时候它引力做正功

这些物质势能会下降 势能一下降它动能会增长

这些物质相互之间碰撞动能一增长了

我们知道

温度是衡量物体杂乱无章运动程度的一个标志

它温度就会上升

它温度一上升 那它不就辐射了 对不对

这就是它辐射的这个来源

所以这个光就被我们观测到了

而且因为这个黑洞在旋转 所以我们会发现

如果它这个物质离我们越来越近

这种情况我们会发现光发的频率比较高

这就叫多普勒效应

如果离我们越来越远离的话

这么转 离我们远离的话 那这个频率就比较低

这叫多普勒效应

所以我们看到那张照片是有地方亮 有的地方不亮的

实际上亮不亮都是人为处理过的

因为它是在这个微波红外的区域 人眼是看不见的

那个颜色都是我们加上去的

另外这M87还有一个特点就会产生喷流

就有些物质会在中间喷出来 形成一个喷流

这个喷流非常大 大概长度有几千光年

这么大的喷流里边全都是等离子体

那我们那个照片我们为什么没有看见

那是因为我们是集中在一个很小的范围内

所以看不见喷流

但是如果我们把这个角度调大一点

我就会发现那边有很长的喷流了

喷流其实我们照片已经拍过了

就是那个哈勃望远镜就曾经帮我们拍过

这就是黑洞照片的一些特点

那么有人可能会问

说我们为什么要花这么大力气去研究这个东西

这是因为我们要验证一个很重要的物理结论

那就是爱因斯坦的广义相对论

我们依靠太阳

已经验证了爱因斯坦相对论中的一些结论了

比如说光线经过太阳之后它会弯曲 是吧

但是这是在弱引力场中的

在强引力场 比如黑洞这种情况下

爱因斯坦相对论还成立不成立 我们不知道

现在我们终于知道了

通过拍了这张照片进一步证实了爱因斯坦是对的

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