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也来聊黑洞和暗物质

(2023-12-15 09:50:31) 下一个

2019年4月19日,人类史上第一张关于黑洞阴影的高分辨率图像照片得以向公众展示。这件事,被认为是天理物理界的Milestone。它的成就主要在两点,1,关于广义相对论的预测得以证实,2,超大质量黑洞极高能喷流形成的原因被解释。

简单来说,黑洞可以理解成和Planeten一样的天体,特点是极小体积有极大质量,这个特征使它对在周围环境中存在的物体能产生超级强大的吸引力,包括光或其他电磁波都无法离开或穿过该区域。

爱因斯坦的广义相对论预测的是,应该有一种能使时空变形的超浓缩物质(会)形成黑洞。

同其他天体一样,黑洞也是有边界的,尽管不能用我们常见的三维空间定义,那个边界,被称为event horizon。1974年,Stephen Hawking在结合广义相对论和量子力学理论的基础上,提出Hawking Radiation存在的假设。这个假设说,应该存在一种thermal black-body radiation,会在event horizon向外发出热黑体辐射(thermal black-body radiation)

——这个貌似和上面黑洞的定义相悖?

我知道。多说一个关于霍金辐射的预言,它极其微弱,比当前最好的望远镜预测能力都低很多很多数量级。

什么意思?

——到目前为止,人们还没有能力观测到。

所以这个黑洞存在证明的照片(不是黑洞的照片哦尽管很多媒体都称之为黑洞照片),被称为shadow of the black hole。这件事,是由Event Horizon Telescope(EHT project)实现的。

是的,这是一个由遍布全球各地的射电天文望远镜共同合作完成的一个奇迹。各地的射电望远镜同时开动,记录黑洞引起的信号, 保存的测量结果通过数据存储介质(机架)传送到计算机中心(例如波恩的射电天文研究所的 VLBI 相关器)与硬盘驱动器,然后在那里被分析。

不能通过互联网发送的原因是,数据量太大。单个望远镜不可能实现这件事的原因是,角分辨率达不到要求。

这当然算是天体物理界的传奇之一,如同我前面聊到的Minerva-B计划,或者当年的原子弹计划,都属于人类真正的collaboration,完全抛开种族,国籍,信仰,性别,年纪这些,

It makes us human.

嗯,我也参加过类似的一个项目,当然规模小多了,是关于第三代航天飞行器的研制。我负责的,是那里面最小的齿轮的材料的成分(多了不能再说了主要我也不知道了)。

当时开会老板经常交代,不能外传的噢,我们都签了保密协议的——然后又摇头,哎,其实我们开会作报告好多数据早公开了。

所以我一直开玩笑说我如果失业最好哪家公司慧眼收买我,让我去替他们收集科技情报好了,我太知道从哪里下手了。

回到那张照片。

如同Minerva-B计划一样,EHT project当然也不是没目标整个宇宙乱放电,当时选的是从可能的黑洞中从地球观测角直径最大的,一个是我们银河系的Sagittarius A-Star,另一个是Type-cD galaxy中的M87-Star。

那张照片是后者。那个黑洞,估算重达65亿太阳质量,距地球5千万光年。项目启动的时间,是2009年。

如何推测有黑洞?很简单,算出来的,类似太阳系中Neptune的发现。Uranus的运行轨道被发现同预测结果不符,被推测可能是由另一颗未知行星引起——当然人们向那个方向去找。

一击而中。

然后呢,Pluto也呈现出很奇怪的运行轨道,应该是受其它天体影响。行星还是黑洞?不知道。

黑洞的得名,原因之一是,人们是不可能直接观测到它们的。暗物质?也差不多同理。

一个理论是,我们生活的宇宙时空,被小小的颗粒状暗物质填满。由于它们之间的作用彼此抵消,它们不仅仅不可以被观测,也不会对我们造成人和物理影响。

但是在银河系中就不一样了。

太阳的运动,观测到的结果比计算结果快太多太多了,没理由不怀疑有其他不明物质存在。银河系之外的结果?更糟糕。那些星体的运行速度快到不能解释,或者说,宇宙空间必然是存在大量我们不可见的物质,也就是暗物质。

还有呢,宇宙膨胀的速度太快了,并且越来越快,这是不对的,唯一可能的解释,是大量暗物质的存在。目前的结论是,宇宙空间,仅有5%的物质是被观测到的,25%史完全不可能观测到的,75%是从物理的角度不可能被观测到的。

科学是一套很严谨的体系,其实哲学也是,任何一个小小的结论也许是几十年甚至几代人努力的结果。不过以我的观察,貌似中文的科普类信息,不仅低估了当今科学的发展和结论的可靠性,也低估了哲学的严密和逻辑。很遗憾。

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