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假如地球变成黑洞 它的直径有多大?

2019/4/15 12:57:32

    (转上观新闻)今天上午,上海科技馆报告厅座无虚席,许多家长带着孩子来聆听上海科普大讲坛,中科院上海天文台台长沈志强研究员、左文文副研究员围绕“人类第一次用望远镜拍到黑洞照片”这一热点新闻,为公众讲解了黑洞的性质以及甚长基线干涉测量(vlbi)技术观测黑洞的科学原理。“有梦想,有机会,有奋斗,一切美好的东西都能创造出来。”演讲结束前,沈志强用这句话勉励听众为梦想奋斗,有朝一日也实现“为黑洞拍照”这样的壮举。

  左文文在演讲中介绍,黑洞是广义相对论方程式的一个解。此外,白洞、虫洞也是广义相对论方程式的解。与人类至今未发现蛛丝马迹的白洞和虫洞相比,黑洞这种超大质量、吞噬一切的“宇宙怪兽”早已显现出它们的面目。1916年,就在爱因斯坦发表广义相对论的第二年,德国物理学家史瓦西就给出了黑洞的数学描述。他用数学语言描述的黑洞不带电、不转动,只有一个参数——质量。黑洞的质量越大,它的史瓦西半径就越大。一个球体的半径如果小于其史瓦西半径,就是黑洞。黑洞的外圈被称为“事件视界”,即史瓦西半径。包括光在内的所有物质一旦进入视界,就永远出不来了,这就是黑洞“吞噬一切”“漆黑一片”的特性。

  “假如太阳变成黑洞,它的直径必须缩到6公里。假如地球变成黑洞,直径要缩到2厘米。”沈志强告诉听众。由此可见,宇宙中那些大型黑洞的质量有多么惊人。最近多国望远镜联合拍摄到的m87星系中心的超大质量黑洞,经观测验证,其质量是太阳的65亿倍。距地球5500万光年。银河系中心的超大质量黑洞距地球2.6万光年,是太阳质量的400多万倍。

  黑洞既然漆黑一片,望远镜怎么能拍摄到它的影像呢?左文文说,其实黑洞并不是很黑,那些坠落到黑洞的物质在坠落过程中,其引力能会转换成光和热,形成环绕黑洞的吸积盘,而且高速旋转,“像印度大厨用手转动的一个飞饼”。人类拍到的第一张黑洞照片上,那圈模糊的环状光晕就显示了吸积盘的形态和亮度。“照片上光的颜色并不重要,光的强度才具有科学价值,黄色部分最亮。”

  拍摄并“冲洗”出这张照片,之所以难度很大,主要是因为m87星系中心黑洞距离遥远,足足有5500万光年。在地球上用望远镜观测,它的环状结构角直径大小只有42±3微角秒(1度= 60角分= 3,600角秒=3,600,000毫角秒=3,600,000,000微角秒),而满月的角直径为1800角秒,可见这个黑洞是多么难以观测,能拍到模糊的照片,已体现了人类目前最高的技术能力。这种技术的英文简称是vlbi。简而言之,vlbi是将地球上多个地方的射电天文望远镜联合起来,编织成一张巨大的隐形观测网,达到巨型望远镜的观测效果。作为这一领域的知名专家,沈志强介绍说,vlbi不仅适合观测黑洞等遥远天体,还能精确测定太空飞行器的位置。凭借这种能力,由上海佘山、北京密云、新疆乌鲁木齐、云南昆明等地射电望远镜组成的vlbi深空探测网,为嫦娥一号至四号成功导航,在我国探月工程中发挥了重要作用。

  (本文作者:俞陶然 文字编辑:俞陶然)