请简述研究探测与黑洞的意义，约500字。答案要严谨。_作业帮
拍照搜题，秒出答案
请简述研究探测与黑洞的意义，约500字。答案要严谨。
请简述研究探测与黑洞的意义，约500字。答案要严谨。
因为黑洞有利用价值，了解了它，对人类的科学进步很有帮助。根据广义相对论，引力越强，时间越慢。引力越小，时间越快。我们的地球因为质量较小，从一个地方到另一个地方，引力变化不大，所以时间差距也不大。比如说，喜马拉雅山的顶部和山底只差几千亿之一秒。黑洞因为质量巨大，从一个地方到另一个地方，引力变化非常巨大，所以时间差距也巨大。如果喜马拉亚山处在黑洞周围，当一群登山运动员从山底出发，比如说他们所...黑洞热力学的几何研究黑洞热力
扫扫二维码，随身浏览文档
手机或平板扫扫即可继续访问
黑洞热力学的几何研究
举报该文档为侵权文档。
举报该文档含有违规或不良信息。
反馈该文档无法正常浏览。
举报该文档为重复文档。
推荐理由：
将文档分享至：
分享完整地址
文档地址：
粘贴到BBS或博客
flash地址：
支持嵌入FLASH地址的网站使用
html代码：
&embed src='/DocinViewer-4.swf' width='100%' height='600' type=application/x-shockwave-flash ALLOWFULLSCREEN='true' ALLOWSCRIPTACCESS='always'&&/embed&
450px*300px480px*400px650px*490px
支持嵌入HTML代码的网站使用
您的内容已经提交成功
您所提交的内容需要审核后才能发布，请您等待！
3秒自动关闭窗口海外文摘――黑洞在星系形成和演化中的作用
黑洞在星系形成和演化中的作用
A. Cattaneo等人　文　　Shea　编译
包括我们的银河系在内，所有的大质量星系中央都有一个质量从数百万到数十亿个太阳质量不等的黑洞。这些黑洞的生长会释放出巨大的能量，驱动着类星体以及其他的活动星系核。如果宿主星系吸收了这些能量中的一小部分，那么通过加热并且抛射出周围的气体，宿主星系就会终止恒星形成过程。星系演化中的一个核心问题是，通常在只含有少量低温气体和年轻恒星的大型椭圆星系中，这一过程到达什么程度会造成恒星形成率的下降。
　　星系可以被分成两大类：“足球形”的椭圆星系和“盘状”的旋涡星系。旋涡星系中含有大量会形成恒星的低温气体，而在椭圆星系中气体的温度则过高无法形成恒星。因此，椭圆星系缺乏通常在旋涡星系中可见的年轻蓝色恒星，并且一般偏红。而旋涡星系也具有结构和微型椭圆星系类似的中央核球。由于这一相似性，因此后文中的“核球”一词既指旋涡星系中的核球也指椭圆星系，不加区分。
　　每一个核球的中心都有一个黑洞，它的质量正比于核球中的恒星质量，大约为核球的千分之一。黑洞和核球也大约形成于相同的时期。观测显示，黑洞和核球的形成是紧密联系在一起的。落向黑洞的物质会以光子和带电粒子喷流的形式释放出相当于其质能10%的巨大能量。即使仅有一部分微小的能量（小于1%）被释放到核球中，它也会加热并且吹散所有的气体成分，由此解释了为什么核球中没有恒星形成。
　　天文学家的目的就是要在宇宙学的框架下认识这些观测。在标准的图像中，宇宙物质的绝大多数是由暗物质构成的，它们的性质至今未知。组成气体和恒星的质子、电子和中子则占据了宇宙物质的其余部分。它们和暗物质之间仅仅通过引力相互作用，而引力也决定了宇宙在大尺度上的演化。从大爆炸开始宇宙中就出现了微小的不均匀性。它们通过引力吸引周围的物质最终生长成了物质团块，被称为“晕”。在这些晕中辐射冷却和引力加热之间的竞争决定了气体的命运。在小质量的晕中，冷却占据了主导。通过低温气体流，被吸积的气体落向晕的中心，形成盘和恒星，星系由此开始成形。但是，当晕的质量增大超过一万亿个太阳质量这一临界质量之后，加热便占据了主导，星系无法再吸积气体。晕之间的并合会形成更大型的晕，其中会包含十几或者甚至数百个星系，它们分别被称为星系群和星系团。在晕中星系间的并合会使得星系盘转变成核球，并且这一过程对于星系来说也是其停止吸积气体之后生长的唯一途径。
[图片说明]：椭圆星系的形成。从左往右分别是暗物质、气体和恒星在宇宙不同时期的分布。从下往上分别是红移等于4、2和0的时间。
　　尽管在观测上活动星系核和并合之间的联系还有争议，但是对于仍然在吸积气体的星系间的并合，气体会落向中心引发星暴，并且哺育黑洞快速生长。黑洞会以向周围的气体回馈能量来对此做出回应。这些能量会形成风，它们会通过挤压气体来加快恒星的形成。在最剧烈的情况下，所有的气体都会被吹散，因此黑洞的生长和恒星形成会戛然而止。计算机模拟显示，对于解释为什么椭圆星系是红色的来说这一现象是必需的。巨椭圆星系的化学成分也暗示，其恒星形成过程是短暂的。这是另一个需要考虑存在一种机制能使得恒星形成突然终止的原因。
　　在已经停止吸积气体的星系中，恒星形成和黑洞吸积的主要阶段已经过去，但即便是较弱的活动星系核通过它们喷流的力学作用也能在高温气体中打开一个较大的空腔。在这种“维持模式”中，通过连续的小型事件或者间歇性的类星体活动，黑洞和高温气体会耦合在一起，并且不断改变吸积率来为维持一个恒定的温度提供能量。这一循环的最强有力证据来自星系团。它会大幅度降低中央星系的气体冷却率和吸积率。
　　这些发现导致了星系形成的多样性，而黑洞则在其中起到了主要的作用。为了在星系形成的宇宙学理论中了解椭圆星系的质量、颜色以及结构特性，建立这些效应的模型就是必需的。
红色椭圆星系形成中的黑洞
　　在其所处核球中，黑洞的质量和恒星质量以及恒星的速度弥散紧密相关。这一相关性预示了黑洞形成和核球形成之间的因果关系，但对此的解释可以有两种途径。
　　在第一种解释中，由富含气体的并合以及盘的不稳定性而被输送到星系中央的气体既哺育了黑洞也哺育了恒星，因此黑洞吸积和恒星形成可以一起进行。当恒星形成耗尽所有气体的时候，黑洞的吸积也会终止。在极亮红外星系、类星体、近距赛弗特星系中观测到恒星生长和星暴之间的相关性支持了这一理论，它解释了为什么黑洞的质量会和核球的成正比。
　　在第二种解释中，当黑洞向外吹散其宿主星系中的所有气体时，恒星形成便终止了。对于一个给定质量的黑洞，对此有一个最小的阈值，即爱丁顿极限。在这个极限之上，向外的辐射压会超过向内的引力，推动气体向外运动。速度弥散则是核球的特性，由于它决定了开始向外驱散气体的地方位于引力势阱中的深度以及所需黑洞的最小质量，因此它和黑洞之间具有非常紧密的联系。
　　活动星系核把能量输送到周围气体的效率决定了上面的哪个解释更接近物理实在。来自活动星系核的光子和喷流会通过两种形式驱动风。它们可以加热气体并且造成它膨胀（热能驱动风），或者它们可以向外推动气体（压力动量驱动风）。光子通过光致电离金属――但铁即使在高温下也能保留其内层电子――或者康普顿散射来加热气体。只有在距离黑洞适中的距离上，作用在电离气体上的辐射压才是重要的，因为也正是在那里决定了爱丁顿极限。但是由于尘埃具有很高的吸收截面，因此作用在尘埃上的辐射压即使在星系的尺度上也很重要。共振吸收是另一种向气体转移动量的机制，也许它可以用来解释在具有宽吸收线的类星体中出现的高速风。喷流则可以通过激波加热产生由能量驱动的风，它也可以通过压力产生由动量驱动的风。
　　所有这些过程的效率都很低且很难量化：即使在高温下仍能保留部分电子的金属在气体中的含量很少；只有在窄波段下光致电离的截面才比较大；康普顿散射只能把少量的光子能量传给电子；喷流则倾向于脱离它们的宿主星系并且把它们的绝大多数能量带到星系之外。通过辐射压从光子向气体转移动量是唯一一个可以达到几乎100%效率的过程，但是尘埃必须要占据较大的立体角。由于光子是无质量的粒子，因此相对于其他能量形式光子相对较低的动量也会限制通过这一机制抛射出的物质质量。如果一个活动星系核辐射出光子的动量100%地传递给了气体，那么它最多可以抛射出相当于核球恒星质量大约10%的气体，而核球中恒星的质量通常就等于在富含气体的并合结束时所留下的气体总质量。热能风和辐射压驱动的风模型已经被用来计算黑洞质量和核球速度弥散之间的关系。但是，这并不是一个可以用来进行鉴别两者的测试，因为两者都可以和数据相符。
　　可见光/紫外和X射线光谱仪确认了类星体可以把风加速到每秒数千到数万千米。它们在短时标上的变化则说明它们来自星系核而不是星系风，但是观测也发现了一些在数千秒差距尺度上的风。集成视场光谱仪也探测到了和高红移射电星系喷流平行的、速度为每秒数千千米的偶极风。
　　仅有活动星系核风的存在并不能证明它们的恒星形成过程突然终止了，但是对于星暴后星系的观测发现其中三分之二的具有速度在500-2,000千米/秒的风。这一速度要比通常在星暴星系中观测到的要高。因此，这说明后星暴星系中恒星形成过程的突然终止可能和星系核心活动有关。
　　在探测近距星系的斯隆数字巡天中，产星、“活跃”和“不活跃”的椭圆星系从蓝到红在星系颜色-质量图上形成了一个序列。对此的解释是，当黑洞在生长的时候，恒星形成率就会降低。但是，在斯隆数字巡天的所有星系中，恒星形成率看起来似乎是逐渐降低的，并没和任何剧烈的事件有联系。在高红移下这一情况可能会有所不同，那里的星暴星系和类星体更普遍，活动也更强，而且在巨椭圆星系的前身体中恒星形成持续的时间也不会超过10亿年。
星系团中的黑洞
　　在大质量星系、星系群和星系团中的气体温度非常高，会发出大量的X射线。解释这些气体为什么没有快速冷却的问题被称为“冷却流”问题。在星系团中这个问题已经被深入地研究了，因为那里的观测限制非常强。
　　能发出X射线的星系群和星系团可以分成两类：X射线表面亮度往中心方向陡增的系统和表面亮度分布较平滑的系统。由于选择效应90%的X射线星系群属于前者，除此之外还有晕质量小于100万亿个太阳质量的星系团以及50%晕质量大于100万亿个太阳质量的星系团。单位体积的气体光度正比于气体密度的平方和气体的冷却函数，而冷却函数又和气体的温度以及化学组成有关。X射线光谱显示，气体的温度总是和位力温度相当，也就是说气体在引力作用下处于平衡状态。因此这两种星系团的区别必定就在于它们的密度分布轮廓上。
　　在第一种星系团中，气体具有很高的中心密度，星系团核心热辐射时标通常小于10亿年。因为温度会往中心方向降低，因此这些星系团被称为“凉核”星系团。但是，凉核星系团并不是“冷核”星系团，因为它的温度只会下降3倍。由于没有铁ⅩⅦ谱线或者很弱，，因此推测在这一温度下辐射冷却的气体总量要比从由X射线热损失估计的少10倍。由于气体发出辐射但并不冷却，这里一定存在一种能量输入补偿机制。
　　进一步的证据来自X射线光度和由X射线数据测量出的气体温度之间的关系。当温度大于3千电子伏特的时候，轫致辐射是主要的辐射机制，再以晕的密度调整过气体的密度之后，所有星系团的X射线光度应该会正比于位力温度的平方。光谱观测已经确认了气体温度等于位力温度，但是X射线的光度却和位力温度的立方成正比。当位力温度小于3千电子伏特的时候，由于密度下降，这一情况更为严重。对于一个给定的温度，密度越低说明熵越高，而增加熵的唯一办法就是加热。
　　在0.1个晕半径处星系团通常的过剩熵为10万电子伏特平方厘米。对于绝对熵较低的小型星系，这个数字更高。这个问题在凉核星系团和非凉核星系团中都很普遍，并且会影响大量的星系团内介质。通过预加热最后会变成星系团内介质的星系间气体，在巨椭圆星系的前身中类星体风终止恒星形成过程可以用来解决这个熵问题，但是它们无法解决在凉核星系团中央区域中的冷却流问题。在这些系统中，冷却时标非常短，因此至少每一亿年就需要加热一次，这样才能维持这些系统目前的状态。这一对定期加热的需要和在低红移宇宙中类星体的不足形成了矛盾。
　　但是，凉核星系团中70%的星系团中央星系是较弱的活动星系核――边缘暗弱的射电星系。它们的活动模式有别于类星体，更接近持续的小型星暴。在许多低吸积率的活动星系核中，黑洞周围的气体密度并不足以有效地辐射，几乎所有的能量释放都以喷流的形式出现。这些天体非常低的光学光度也是它们长期以来被低估的部分原因。
　　射电星系的重要性在X射线气体里发现空腔之后开始显现出来，它们最早被发现于英仙星系团以及其他拥有较弱活动星系核的星系团中。这些空腔是喷流射电同步辐射等离子体取代周围发出X射线等离子体的地方。这些空腔出现在了超过70%的凉核星系团中。尽管可能由于时间久远并且缺少高能电子使得其中一些没有高频射电辐射，但是它们通常都是同步辐射区。
[图片说明]：对英仙座星系团及其中央星系的多波段观测。上图为X射线（成像）和射电（等高线）观测。下图从左往右为X射线、射电和可见光观测。版权：RAS。
　　从这些空腔的体积以及星系团内介质的压强，可以估算出喷流形成它们所需要做的功。对于准静态膨胀，这个功就等于体积和压强的乘积。但是，由于空腔具有瑞利-泰勒不稳定性，它们形成的时标不可能远大于声速穿越的时标，否则它们在形成之前就会被瓦解。同时，这个时标也不可能远小于声速穿越的时标。否则它们会被强激波所包围，只能观测到极少数。由于空腔是非准静态膨胀的，膨胀的射电瓣对周围气体所做的功必定会大于空腔的体积和介质压强之积。它还会造成激波和其他的扰动，这些都可以加热星系团内气体。分析计算和数值模拟都显示其所做的功是准静态膨胀的10倍。
　　除了射电瓣对周围气体所做的功之外，还有射电瓣中的相对论性粒子（宇宙线）本身所具有的能量。尽管观测显示这些空腔会在星系团内介质中存在相当长的一段时间，但如果同步辐射等离子体和X射线等离子体最终混合的话，这些能量也会加热星系团内介质。
　　于是，产生这些空腔所需的最小能量就是准静态膨胀对周围气体所做的功和宇宙线能量之和。对空腔的观测发现，这一能量和在声速穿越的时标下X射线所辐射出的能量相当，出入在4倍以内。因此，由喷流注入到空腔中的能量和补偿冷却所需的能量相等。这一平衡状态说明存在一个自我调节机制。这可能是由于黑洞就像是一个恒温器，可以感知邦迪半径上气体的熵。而邦迪半径正是黑洞引力作用的边界，在那里气体下落的速度正好等于声速。对于球形吸积，黑洞的质量和在邦迪半径处的熵整个由黑洞的吸积率来决定。如果在球形吸积模型――一个已经被观测数据直接证明了的假设――下计算出的注入空腔中的能量正比于黑洞吸积率的话，那么就会有更多的气体冷却，中央的熵也会降低，喷流越强加热率就越高。
　　星系团内介质的熵也显现出了喷流加热的重要性，在具有延展射电源的星系团中其内部介质的熵要高于只有点状射电源的星系团，后者的喷流还没有来得及转播并且加热气体。拥有点状射电源的星系团特性事实上和无加热情况预言的相符。
　　问题是，注入星系团的能量是如何转化成热的呢？强激波看起来似乎是最自然的一种机制，但英仙星系团中射电瓣明亮的X射线边缘和其他射电星系的温度都要比它们周围的低。此外，如果被加热区确实比星系团核心要小的话，就会引发对流。相反，星系团的熵分布虽然梯度很小，但并不为零。这说明，中央气体会抑制对流保持稳定，即使在气体金属性轮廓较宽的情况下也是如此。射电源所处的不同阶段可以用来解释其缺少强激波以及对其他加热机制的需求。在短暂的活跃期中，喷流会使得空腔膨胀，而激波也是主要的加热机制。如果在这一阶段结束之前喷流可以穿越星系团的核心，那么激波加热就可以在整个核心区几近均匀地增加熵。在喷流停止之后，射电瓣会通过上升的浮力继续对星系团内介质做功。即便黑洞并没有在吸积，流体力学运动和激波加热也会在大范围内产生热量。
　　加热并不是活动星系核防止低温气体在星系团中心积累的唯一手段。喷流和上升的气泡也会从中心区把低熵的气体输运到外部。最终这些气体会再一次下落，但新的气泡也会再一次产生并且把它们带走。这可以解释在英仙星系团的空腔周围所探测到的纤维状低温分子气体。
星系演化中的黑洞
　　巨椭圆星系和星系团一样存在相同的冷却流问题，而且它对可冷却并且形成恒星的气体总量甚至有着更强的限制。巨椭圆星系的星族、化学丰度以及结构特性显示，自这些星系形成以来只有少量的气体落入了它们的中心并且形成了恒星。
　　因为即使忽略晕中的高温气体，在宇宙年龄的时间跨度上大质量恒星在演化的最后阶段会向星际介质中返还总质量的大约30-40%，因此在巨椭圆星系中冷却流问题比在星系团中更为严重。即便只有很小一部分来自死亡恒星的气体被吸积，也会导致黑洞的质量比观测到的要大得多。
　　当把对星系团的解释用到星系中的时候，会遇到在星系尺度上喷流通常是准直的情况。因此，它们会穿透附近的气体把绝大多数的能量输送到产生喷流的星系之外，且只有在2,000个秒差距之外对气体的加热作用才是重要的。即便在英仙星系团内，喷流似乎也没有在它的中央星系（蓝色的星系团中央星系）中抑制恒星的形成。由于缺少加压气体而很难束缚喷流，因此不在星系团中心的星系情况更糟。没有了这一限制，喷流就会在星系间毫无用处地耗散自身的能量。但是，也有一些反例，喷流会对星系尺度上的高温气体产生影响。此外，喷流也可能会把能量传递给星际介质。例如，星系M87的喷流中的结点就是喷流和星际介质相互作用的证据。尽管还存在这一问题，但有意思的是，部分拥有点源的星系质量会和黑洞质量有关，就像用气体冷却率估计的一样。同时，喷流的平均功率和气体的X射线光度相符。如果喷流无法和周围的气体相互作用并且保持它们的高温，那么冷却作用最终会激活光学活动星系核，它可以通过辐射来加热气体。
[图片说明]：哈勃空间望远镜所拍摄的M87的喷流。版权：NASA/The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)。
　　当物质落向星系深处的时候它们所做的功会导致引力加热作用，就像小型椭圆星系中的I型超新星一样引力加热也会加热气体。但是，这些能源对于辐射流失率的改变反应很慢。要么它们会以比冷却率还低的效率加热气体，由此导致气体最终冷却，要么它们会以比冷却率高的效率来加热气体，由此驱动外流。这些气体可能会出现在低质量椭圆星系的外流中，在那里离散的源主导了X射线辐射，因此通常无法探测到辐射X射线的气体。但是在对巨椭圆星系的X射线观测显示，这些气体是处于流体静力学平衡的。引力加热和I型超新星会减轻活动星系核的负担，它只要提供弥补保持气体平衡所需的加热率和其他能源所能提供的加热率之间的差值即可。
尚存的问题
　　黑洞反馈的最强证据来自星系团，但是我们仍然对活动星系核如何把能量转移到周围气体中以及由膨胀的喷流和上升的气泡所导致的流体力学扰动加热缺乏足够的了解。标准粘滞、湍流粘滞、磁力线的拉伸和断裂以及宇宙线都有可能会对星系团内介质产生加热和/或提升作用。在一级近似下，通过加热，黑洞可以对吸积率进行自我调节。虽然和利用纯冷却流模型预言的比效率低得多，但是一些气体确实在冷却并且在向星系团的中央星系流动。在25%的星系团中，这些气体会再一次激活恒星形成过程，导致形成蓝色核心的星系团中央星系。对于理论模型和计算机模拟的一个主要挑战是定量地了解为什么真实的星系团和“理想”的反馈回路之间会有差别。
　　相比于射电星系和星系团冉橹实南嗷プ饔茫涞缧窍岛托羌式橹实淖饔酶晃怂Ｔ诜浞蠢〉那榭鱿拢溆胄羌式橹实南嗷プ饔靡丫芎玫乇谎芯苛恕Ｖ饕奈侍馐牵浞蠢∈欠衲茉诓怀曰疃窍岛吮壤鄄庀拗频那榭鱿绿峁拔帧钡ジ鐾衷残窍邓璧哪芰俊
　　最大的不确定性来自类星体风对于终止恒星形成的作用。原因是通过光谱探测出的风质量会有超过一个量级的出入。在整个红移范围内完善对风质量、尺度以及温度结构的估计是对观测的一大挑战。此外，还需要更好地了解正在从蓝色向红色转变的星系的性质。
　　最后，值得注意的是，计算机模拟显示需要类星体来终止恒星形成，但是这些模拟是建立在不确定的恒星形成模型和星际介质物理之上的。在最终确定真的需要类星体反馈之前，必须加深对这些过程的认识并且提高数值模拟的分辨率，对于恒星形成率在更长时标下下降的低质量椭圆星系而言更是如此。
出自：Nature
发布日期：
工作组制作
任何意见和建议请致电：那些有待探索的黑洞(组图)
发帖人：书虫
杂志上公布的黑洞吞噬星云的照片
黑洞吞噬恒星的过程
谁也不知道黑洞里究竟有些什么
如宇宙之眼的黑洞似乎“看上去很美”
黑洞质量通常都比恒星大得多
科学家已经发现宇宙的诸多秘密，包括宇宙已经发生过多次大爆炸和大挤压，所以才逐步形成了今天的局面。因此科学家们也推断出最初的宇宙大约于140亿年前诞生于一次大爆炸，当时宇宙的温度仅有零下270℃。宇宙中的恒星和星系大约在那次大爆炸后3亿年左右开始形成，太阳则诞生于大爆炸之后的50亿年，而地球上首次出现生命则在距今37亿年前……
早前两位科学家Roger Penrose与Vahe Gurzadyan分析了由隶属于美国国家航空航天局的威尔金森微波背景辐射探测器观测到的数据后，却发现在那次大爆炸之前竟然已存在神秘的辐射。据他们的研究报告称，一共发现了12个同心圆辐射“印迹”，其中有五个环具有特别的意义，分别对应着宇宙演化历史上五次大规模的事件。科学家认为，在背景辐射中的神秘同心圆是超大质量黑洞发生碰撞而留下的，这些超大质量的黑洞存在于大爆炸发生之前。这就意味着我们的宇宙可能出现一种全新的循环模式：由大爆炸和超大质量黑洞碰撞主导。而这一“新的宇宙循环理论”意味着，黑洞将消耗掉宇宙中的一切物质，并且发生相互碰撞，最终导致又一次的宇宙大爆炸……宇宙的秘密一直在不断翻新。
黑洞只是宇宙秘密中的一部分。我们目前的知识可以理解到这一点：如果银河系内的大约200个球状星团曾拥有中等质量的黑洞，现在的银河系周围可能已游荡着数百个这种黑洞，而且每个黑洞的速度都会达到每秒数千公里，随时等待着吞噬不幸与它们相遇的星云、恒星和行星。庆幸的是，目前观测到附近存在的一些流浪的黑洞尚不对银河系构成威胁。
但黑洞本身很难探测，了解它只能借助于环绕在它周围区域发射出的X射线。近年来科学家终于首次准确测量出一颗大质量黑洞的旋转速度，这的确有助于了解有关超大质量黑洞成长和演化的谜团。这颗被测量到的黑洞的质量约为太阳的200万倍，位于天炉座螺旋星系NGC1365中心，其距地球约5600万光年。研究人员通过分析望远镜观测到的高能X射线中由铁原子发出的射线，追踪了黑洞周围吸积盘（吸积盘是一种由弥散物质组成的、围绕黑洞转动的结构）的运动，发现这颗黑洞的旋转速度几乎达到了理论所允许的极限。
目前科学家发现的两个最大黑洞，每一个的质量都相当于100亿个太阳，它们距地球2.7亿光年，大到足以吞噬整个太阳系。银河系中央也存在一个超大质量黑洞，这个黑洞的质量相当于370万个太阳。长期以来，科学家猜测隐藏在星系中心的黑洞旋转得越快就生长得越大，这是因为它转得快便可以吞噬更多的气体、尘埃、恒星等物质。
人类的观察目前似乎仅限于此。虽然有越来越多被抓拍到的黑洞的图片出现，其中甚至包括一些黑洞吞噬恒星的图片，但黑洞对于地球人来说，依然是个遥远而神秘的传说。我们只能通过这些美丽的图片一窥其貌。
国家领导人在任时，往往公务繁重，退休之后不再承担具...
热门关键字《星际穿越》物理学：黑洞是什么样子的？ | 科学人 | 果壳网 科技有意思
《星际穿越》物理学：黑洞是什么样子的？
星际穿越 诺兰 基普·索恩 虫洞 黑洞 万有引力 光线 吸积盘 星际之间
银河护卫队 诺亚
机器人启示录
独立日2 明日边缘
（/译）“当然啦，黑洞就应该是这个样子的。”当基普·索恩（Kip Thorne）望着在他的帮助下建立起来的黑洞时，心里便是这样想的。这个黑洞其实是一个有史以来最精准的黑洞模型。它以接近光速旋转着，将宇宙的物质一点点地吸引过去。（这就是引力，相对论超诡异的。）理论上讲，黑洞本是一颗恒星，然而它最终没有熄灭或爆炸，而是像做塌了的蛋奶酥一样，坍塌成一个小小的、不可逃逸的奇点（singularity）。一道光轮环绕着里面的球形大漩涡，看起来似乎既从上面弯过去，也从下面弯过去了。
电影中展示的“黑洞”形象。为什么黑洞看起来会是这个样子？图片来源：
但这一切都十分自然，因为黑洞附近常常发生奇怪的事。例如，黑洞引力极大，以至于弯曲了宇宙的结构。爱因斯坦对此进行了解释：质量越大的物体，产生的引力就越大。像恒星和黑洞这样的物体就能产生巨大的引力，导致光线弯曲，时空扭曲。更神奇的是，如果你离黑洞比我近，我们对时间和空间的感觉会不一样。相对来说，我的时间会过得快一点。
索恩从这个模型中看到了什么？作为一个天体物理学家，他的数学知识引导着这一迷人视效的诞生——这是有史以来对黑洞面貌的最准确的模型。同时，这个模型还是30个人、数千台计算机一年的工作成果。除此之外，这个黑洞还和一群星光熠熠的好莱坞明星联系在一起——马修·麦康纳（Matthew McConaughey）， 安妮·海瑟薇（Anne Hathaway），杰西卡·查斯坦（Jessica Chastain），比尔·欧文 （Bill Irwin），卡西·阿弗莱克（Casey Affleck），约翰·利特高（John Lithgow）——因为这个黑洞模型是电影《星际穿越》的核心——《星际穿越》是克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）导演的太空旅行史诗巨作，北美11月7日上映。索恩从这个模型中看到了真实。而技艺非凡的图像制作师诺兰，看到的则是美。黑洞，即使是虚构的，也能让人的感知翘曲。
1972年的索恩。A. T. Service/ Wikipedia
索恩可不是你平时见到的普通的天体物理学家。确实，他是很出名的理论家，但是在他2009年从加州理工学院退休之前，他就已经对面向大众解释伤人脑筋的相对论充满兴趣。快退休时，索恩和制片人琳达·奥布斯特（Lynda Obst）——索恩和琳达已经相识了30年，当年是卡尔·萨根（Carl Sagan）给他俩安排了一场盲约会——就在谈论要不要制作一部涉及到黑洞与虫洞神秘性质的电影。不久之后史蒂文·斯皮尔伯格（Steven Spielberg）签约导演这部影片，编剧乔纳森·诺兰（Jonathan Nolan）写了一个剧本。不过最后斯皮尔博格退出，乔纳森的哥哥，以《记忆碎片》、《盗梦空间》这种把人绕晕的片子而闻名的导演克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）接手。在克里斯托弗·诺兰重写他弟弟的剧本的同时，他想弄明白这个故事核心里的科学内容。于是，克里斯托弗·诺兰开始与索恩见面。
2013年头几个月里，索恩和诺兰在探讨被物理学家称为“宇宙的翘曲一侧”的问题，如弯曲的时空，现实世界的缺口，还有引力如何弯曲光线。“可以说这个故事已经彻底成为克里斯托弗和乔纳森的故事了。”索恩说道，“然而故事的精髓、拍摄一部一开头就将科学嵌入的电影这一目标，与这其中了不起的科学都得到了保留。
电影制作者们构思到的这个故事设定在一个反乌托邦的近未来：那时粮食将无法生长，人类处于灭绝的边缘。一位退役宇航员（麦康纳饰演）被征募进行最后一次飞行任务，这个孤注一掷的任务是寻找另一个能令人类生存并复兴的星系。
那么，问题来了。其他恒星离地球那么远，哪怕到达最近的几个恒星起码也要花几十年，而且连能在几十年内到达目的地的那个速度我们都不知道要怎么达到。不过早在1983年，当卡尔·萨根为他的小说寻找一种可行方案的时候（那部小说后来被拍成了电影《超时空接触》），索恩建议他使用虫洞，一个假想的宇宙裂口，它利用超越四维时空的更高维度连接两个相距遥远的点。所以对于《星际穿越》来说，虫洞也是不二选择。当索恩和诺兰讨论这部电影的时候，对于虫洞物理性质的探讨不可避免地向电影制作者提出一个问题：要如何将虫洞表现在荧幕上？
而这并非唯一让电影特效团队头疼的物理学。诺兰的故事依赖于时间膨胀：不同角色的时间过得不一样。为了让这点在科学上说得过去，索恩告诉诺兰他需要一个极大的黑洞——电影里这个黑洞叫“巨人”（Gargantua）——而且这个黑洞要以接近光速的速度旋转着。作为一个电影制作者，诺兰不知道如何将这种东西表现得真实可信。不过他知道谁可以帮他实现这个效果。“克里斯打电话跟我说他要派个人来我家谈谈视觉效果的事情，”索恩说，“我就答道，‘当然，请他过来吧。’”不久后保尔·弗兰克林（Paul Franklin）就到了索恩家。
弗兰克林知道他的电脑总能完成他的任何要求，这既是一个问题又是一种诱惑。“我们很容易落入陷阱，结果打破现实的规律，”这位赢过奥斯卡最佳特效的视觉特效工作室“双重否定”（Double Negative）的高级主管说，“而这些规律可是相当严格的。”
因此，他叫索恩写出一些公式，使他们的特效软件能反映出符合物理规律的真实世界。他们从虫洞入手。如果光在虫洞附近会一改经典规律——以直线传播——这会变得怎么样呢？要如何用数学来描述这一点呢？
黑洞扭曲光的示意图。图片来源：Kip Thorne
索恩递给弗兰克林的答案是一份研究深入的备忘录。这备忘篇幅很长，到处是引用来源，写满了方程，看起来更像是科学期刊里的论文。弗兰克林的团队基于这些公式写了新的渲染软件，然后将虫洞制作了出来。效果令人惊叹。这个虫洞就像是照出这个宇宙的水晶球，是时空里的一个洞。“科幻小说总喜欢把事情弄得神乎其神，似乎普普通通的宇宙总不能让他们得到满足，”弗兰克林说，“而我们从这个软件中直接得到的结果就已经让人难以忘怀了。”
虫洞的成功让特效队伍大胆地用同一方法制作黑洞。但是黑洞，看这个名字就知道，是光的杀手。电影制作者常用一种称为光线追踪的技术来渲染图像的光和反射效果。“然而光线追中软件都会使用一个通常来说合情合理假设，就是光沿直线传播，”“双重否定”的CG（计算机图形）监管欧也妮·冯·藤泽尔曼（Eugénie von Tunzelmann）解释到。因为黑洞遵循的可是一种完全不一样的物理规律，“我们就只能再写一个全新的渲染器了。”
有些单帧要花上100个小时来渲染，引力透镜这种爱因斯坦效应导致的小小弯曲让计算变得非常繁重。到了最后，这部电影占据了将近800TB的数据。冯·藤泽尔曼说，“我还担心这次我们可能要突破1 PB数据大关了。”
“克里斯托弗希望我们能向观众传达黑洞是球状的这一信息，”弗兰克林说，“我就跟他说，‘你知道的，它看起来会像是个圆盘。’你唯一能看到的就是它如何使笔直的光线拐弯。”过后弗兰克林开始阅读吸积盘（accretion disks）的内容。吸积盘是一团凝聚在一起的物质，它围绕着黑洞旋转。弗兰克林发现他可以用这圈环绕的碎石来确定黑洞的外观。
冯·藤泽尔曼做了一个巧妙的演示。她建立了一个多色的平面圆环代表吸积盘，然后把它放在旋转的黑洞的外周。一些非常非常奇特的事情发生了。“我们发现黑洞外围扭曲的时空同样弯曲了吸积盘，”弗兰克林说：“因此吸积盘并不像是土星环那样围绕着一个黑色的球，相反，光线弯曲会产生这样一个奇特非凡的光晕。”
电影中的吸积盘形象。图片来源：gq-magazine.co.uk
这就是为什么当索恩第一次看到黑洞的最终效果时会觉得“就该是这样嘛”。双重否定团队开始认为一定是渲染器里出了bug导致这个效果，但是索恩意识到他们已经正确地建立出与他给出的数学公式一致的现象模型。
尽管如此，没有人会知道黑洞到底是什么样子的——除非他们真的造一个出来。黑洞周围那些被吸过去但是逃脱一劫的光，在黑洞的阴影附近展示了出人意料的复杂特征图谱。而发光的吸积盘则在黑洞的上下方以及前方出现。“我从没预料到结果会是这样的，”索恩说，“欧也妮就做了这个模型然后说，‘嘿，我得到了这个。’这真是太棒了。”
最后，诺兰拿得了使故事升华的优美图像，而索恩得到了一部能使大量的观众都能学到一些真实准确的科学知识的电影。不过索恩还获得了一些意外的收获：一个科学发现。“这就是我们的观察数据。”他这样形容着电影的效果，“自然就是这样子的。句号。”索恩说他能从中发表至少两篇文章。
根据索恩提供的公式，特效人员构建出了黑洞模型，黑洞周围的光呈现出奇特的景象。图片来源：Interstellar
当索恩谈到他最喜欢的天体物理学内容时——黑洞的碰撞，旋转的星球引起的运动的时空，时间的弯曲——他会运用大量的类比，例如比作两个龙卷风相遇，或者将光线的弯曲比作风中的稻草。然而类比亦会蒙骗人们的双眼，让人们以为自己明白了某种事物的原理而实际上只是明白这个这种事物的表象。不过索恩带着光环的旋转黑洞，和涉及扩张星系的虫洞，不只是类比。绝大多数《星际穿越》的观众看到这些画面后——虫洞、黑洞、奇怪的光线——会心想“哇哦，那真是漂亮啊。”而索恩看到这些画面则会想，“哇哦，那真是真实啊。”而且在某种程度上，他也觉得它们很漂亮呢。（编辑：Ent，Calo）
文章题图：
Wired, Wrinkles in spacetime: The warped astrophysics of interstellar
你可能感兴趣
科学家以前没做过这种模拟？ 看来理论科学家和特性工程师是该坐下来谈谈了。
理论物理博士，科学松鼠会成员
黑洞掠过地球时什么样儿？
看看人家这模拟做的！这硬件！这软件！
显示所有评论
全部评论(123)
科学家以前没做过这种模拟？ 看来理论科学家和特性工程师是该坐下来谈谈了。
看看人家这模拟做的！这硬件！这软件！
地下室+一车罐头！！！
还没看电影，看这文章感觉没头没脑，既然说是穿越虫洞，为啥又费那么大劲去构建黑洞的模型？ 要真是穿越黑洞，不知要什么样的神科技才能做到？ 近未来肯定没戏吧！？ 难道这个黑洞只是虫洞旁边的一个道具，仅仅是为了搞出剧情需要的时间流逝速度不同？ 真是这样的话倒是有些多此一举，虫洞两边本来时间就不一定一样，穿越后有可能回到过去，也有可能到了未来，不用黑洞来瞎掺和，照样可以满足剧情需要。
Space Engine表示不服，那游戏还考虑了相对论效应，导致积吸盘大小不一。←_ ←
摄影测量与遥感硕士生
引用文章内容：以接近光速旋转着这个是什么意思，看不懂。
引用文章内容：她建立了一个多色的平面圆环代表吸积盘，然后把它放在旋转的黑洞的外周。还没看电影，不知为什么会出现这么一个圆环状的吸积盘？在恒星尺度下，怎么可能会出现原本就是圆环状的物体，又不是星系……如果被吸走的是另一颗恒星，那这个吸积盘至少应该出现在一颗恒星和一个黑洞之间。也就是说，旁边还有一颗恒星才对……比如这样Ref:
以后的理论物理学家又有新的玩具了。不过成本略高。。。
而且！！我总有一种被剧透的感觉怎么破！！
-什么东西最好画？-鬼，因为没人见过怎么画都行.....
平面美术指导，DIY爱好者
这三张图十分好，十分直观
好酷~下周一去看。
引用 的话：以后的理论物理学家又有新的玩具了。不过成本略高。。。有加速器贵么……
引用 的话：-什么东西最好画？-鬼，因为没人见过怎么画都行.....理论物理和宇宙学结合在一起，就能预言某样东西如果被看见会是什么样子。。。。。
我怎么觉得这个形象有问题，记得看过一篇文章，由于吸积盘旋转速度快，由于多普勒效应黑洞应该一侧显得更亮（转动方向向着观测者），另一侧则显着昏暗（原理观测者）。这图像两侧一样亮，完全看不出转动造成的差别。
预感明天有一大波剧透党会出现在果壳、豆瓣和贴吧。。。丧心病狂啊！苦逼上班狗要周末才能去看
他们家硬盘好大
本屌一直觉得有史以来有关黑洞的图片让人看了最初只能留下“黑洞是个在平面上的东西”的印象。觉得不如做出来一个原理模型再照照片来的生动，比如用一块实心立方体的玻璃中间夹个气（hei）泡（dong），再牛逼些的话，从中心的气泡开始向外一层一层的用密度不同但透明而且厚度足够“微分”的物质来包裹这个气泡来模拟这个气（hei）泡（dong）对周围空间的引力影响，做出这么个透明的有一定体量哪怕只有杯子那么大的...怎么说玻璃块（你懂得），最后在外面从各个角度对准气泡边上打激光（当然需要保证激光会被这些密度不同的物质折射进气泡）。 最最后再拿着按照上面这段话做出来的东西照一张照片再发布...本屌就会觉得爽了
理论物理博士，科学松鼠会成员
黑洞掠过地球时什么样儿？
引用 的话：本屌一直觉得有史以来有关黑洞的图片让人看了最初只能留下“黑洞是个在平面上的东西”的印象。觉得不如做出来一个原理模型再照照片来的生动，比如用一块实心立方体的玻璃中间夹个气（hei）泡（dong），再牛逼...有人干过类似的事情
文中的字句存在许多没有依据的论点。如：“这个黑洞其实是一个有史以来最精准的黑洞模型。它以接近光速旋转着”——有这样确切的理论证明黑洞的旋转速度接近光速么？“像恒星和黑洞这样的物体就能产生巨大的引力，导致光线弯曲，时空扭曲。”光线弯曲等于时空扭曲么？光线的直与弯跟“时”、“空”呈何种关系？等等……。太不具备严肃认真的科学态度。
引用 的话：文中的字句存在许多没有依据的论点。如：“这个黑洞其实是一个有史以来最精准的黑洞模型。它以接近光速旋转着”——有这样确切的理论证明黑洞的旋转速度接近光速么？“像恒星和黑洞这样的物体就能产生巨大的引力，导...之前认为裸黑洞无法存在，也就是黑洞转动速度不能超过光速，如果超过了视界就会崩溃，然后物理学无法处理的奇点就露出来了...
引用 的话：科学家以前没做过这种模拟？ 看来理论科学家和特性工程师是该坐下来谈谈了。有一篇Paper是2004年的，研究吸积盘的Radiation transfer of emission lines in curved space-timeS. V. Fuerst and K. W
引用 的话：科学家以前没做过这种模拟？ 看来理论科学家和特性工程师是该坐下来谈谈了。人家是有票房做后盾的，光funding这点，呵呵
引用 的话：Space Engine表示不服，那游戏还考虑了相对论效应，导致积吸盘大小不一。←_ ←有模拟星球的软件吗？想模拟一个纯水星球
引用 的话：“像恒星和黑洞这样的物体就能产生巨大的引力，导致光线弯曲，时空扭曲。”光线弯曲等于时空扭曲么？光线的直与弯跟“时”、“空”呈何种关系？光在三维空间中沿“直线”传播，扭曲空间中的光沿扭曲以后的“直线”传播，所以空间扭曲和光线弯曲等价。至于此处为什么是“时空”而不是“空间”，没有看过原文不太确定，但是“时空”减去时间维度剩下的就是空间维度，当构成某一时空的空间维度扭曲了的时候，说这个时空是扭曲的也不算错吧
电影确实不错
显示所有评论
(C)2013果壳网&京ICP备号-2&京公网安备}