【知道SET】黑洞照片——我们看到的是什么？

本集主题：黑洞照片——我们看到的是什么？

主讲人：李广兴

所在单位：云南大学中国西南天文研究所

1、关于黑洞，宇宙中最致密的天体

最近，网上公开了著名的“黑洞照片”，下面我跟大家聊一聊我们看到的是什么。

大家在图上首先能看到一个橘黄色的小圈，中间是黑颜色的，而这个黑颜色的东西就是黑洞的影子，下面我们聊一聊其中的物理。

首先，我们先聊一聊黑洞本身。黑洞是一种致密的天体。要理解黑洞，就要从牛顿同学的苹果谈起。牛顿说，苹果落到地下，受到的是万有引力作用。如果你把苹果扔到天上，过一会，他还是会掉到地上。如果你越用力，苹果在天上停留的时间就越长。如果你能以10km/s的速度扔出苹果，忽略空气阻力，你就能把它扔到太空去。

如果你在黑洞的表面，你会发现两件奇怪的事情。首先，黑洞是没有表面的。为了稳定地待在黑洞的附近，唯一的办法是快速的运动。如果你坐在一个小的宇宙飞船里面，当你接近了黑洞，你的飞船必须接近光速的速度运动才能保证你不掉进黑洞。根据爱因斯坦的广义相对论，光速是宇宙间一切速度的极限。也就是说，你没法跑到比光更快。所以，你要小心。不能太靠近黑洞。如果你靠的越进，你的速度就越接近光速。如果靠的太近，你就没法逃出来了。

黑洞之所以有这样强大的能力的主要原因是引力。怎么产生很强的引力呢？首先，最需要非常多的物质，然后需将这些物质要压缩到非常小的体积。宇宙间观测到的黑洞，最小的质量和太阳差不多，大小只有10公里左右。比较大的黑洞大约有10亿个太阳质量，他大小大约有100亿公里。如果你想把地球变成黑洞，他的大小只有3厘米。但是我们没观测到过这样小黑洞。

2、黑洞对周围的作用

黑洞的强引力场的一个最重要的效应是它可以弯曲光线。其实，日常中的物体，只要他有质量，他们就能弯曲周围的光线。只是在实际生活中，产生的弯曲太小以至于完全可以忽略。当光线掠过太阳系的星系的附近的时候，光线也会被偏折。人们正是通过这样的光线偏折来检验引力理论的。

引力透镜

前面提到，和普通的天体不同，黑洞是没有表面的。所以，如果光的轨迹离黑洞太近，它们会被吸收。所以如果你在黑洞后面放一个亮的幕布，黑洞看起来就是黑色的。

除了弯曲光线，黑洞还有一个重要的功能是加热气体。你被树上掉下来的苹果打疼，从物理上说，是苹果的引力能转化成了动能，动能最后造成了苹果对你的冲击。而这里能量的根本来源是引力能。黑洞的引力场比地球的强很多，所以，你把一个苹果扔到黑洞里，释放的能量比地球上能释放的能量多一千万倍。正式因为这个原因，黑洞周围气体很热。而这些热气体可以通过射电观测的方法看到。

3、射电天文观测

射电观测，观测到的是一些类似无线电波的信号。无线电波是怎么来的呢？要理解这一点，我们首先要理解生活中的无线电波是怎么发出来的。在每一个无线电发射器里，都有一个振荡器。振荡器产生变化的电压。如果你把这些变化的电压连接到天线上，电压就会让天线里面的电子“跳舞”，而电子的舞蹈就会发出无线电波。

射电望远镜

由于黑洞周围的电子很热，他们以很快的速度运动，我们可以认为是这些电子产生了被我们观测到的电波。但是，实际情况还要复杂一点。要产生辐射，电子不仅要运动，还要在运动中改变方向。比如，在电视天线中，电子线朝一个方向运动，然后转弯，接着朝另外一个方向运动。而我们观测到的电磁波主要是转弯的过程中产生的。

在黑洞周围，要产生辐射，电子也需要转弯。而使得电子转弯的是磁场。其中最主要的一个机制是磁场使得电子做圆周运动。由于这种圆周运动，电子不断的转弯，而我们看到的辐射就是在这种转弯的过程中产生的。科学家对给这样的辐射取了一个名字，叫同步辐射。虽然名字有点吓人，但是这种辐射产生的机制其实就是电子本身的加速。

4、总结

最后总结一下，我们在这张关于黑洞的照片上看到的是什么呢？首先，我们看不到黑洞本身，只能看到黑洞周围的气体。这些气体产生了无线电波。我们看到的黑色空洞是黑洞对这些无线电波的吸收。

黑洞，作为一个天体，在这里起了什么作用呢。首先，黑洞是一种致密的天体，它周围的引力场很强。黑洞周围的物质在落入引力场的过程中释放了很多能量，发出了无线电波。从我们的角度看来，这些物质产生了一个亮的背景。在这样一个背景下，我们可以从黑洞对光线的弯曲和吸收来推断他的存在。

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