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黑洞終于揭開神秘面紗 人類首次目睹黑洞“真容”

發布時間:2019-04-11 11:44:24 來源:環球網 責任編輯:caobo

4月10日晚間9點,歷時2年多,黑洞終于揭開了神秘的面紗。比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京、美國華盛頓等全球六地于今天晚上同步召開全球新聞發布會,發布了人類史上首張黑洞照片。往昔神秘莫測,一直只能被文字定義的黑洞,終于通過照片的形式展現在了世人的面前。

照片“主角”是室女座超巨橢圓星系M87中心的超大質量黑洞,其質量是太陽的65億倍,距離地球大約5500萬光年。照片展示了一個中心為黑色的明亮環狀結構,看上去有點像甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“陰影”,明亮部分是繞黑洞高速旋轉的吸積盤。

作為照片的發布方,事件視界望遠鏡(EHT)通過“甚長基線干涉技術”和全球多個射電天文臺的協作,構建一個口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠鏡,用于黑洞探測,也是這一望遠鏡,將宇宙“黑洞”變成了彩色照片。

專家稱,人類首張黑洞照片的問世,將對研究黑洞具有重要意義。

什么是黑洞?

早在1915年,愛因斯坦發表廣義相對論,最先預言了黑洞的存在。理論上,黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體,它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍,該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。

而黑洞(Black hole)這個名詞,是1968年由美國天文學家惠勒在一個報告里面提出的。宇宙中,根據質量天文學家們將宇宙中的黑洞分成三類:恒星級質量黑洞(幾十倍至上百倍太陽質量)、超大質量黑洞(幾百萬倍太陽質量以上)和中等質量黑洞(介于兩者之間)。

有關黑洞的概念,早就有科學家通過數學公式推導出來了。

比如,1796年法國科學家拉普拉斯就在著作里寫了一段話:假如有一個恒星,密度跟地球一樣,而直徑比太陽大250倍,那么它表面的逃逸速度將超過光的傳播速度。恒星本來應該是發光的,但是從遠方看這個恒星,它卻是絕對黑暗的,你不可能看到它。

關于黑洞,法國天文學家盧米涅也說過一段話,他說:“黑洞是恒星死亡后的一種殘骸,它是引力收縮的極點,極端到近乎荒唐(指它的一些性質用現有的物理學知識無法解釋)。但它又是宇宙當中最精美的天體。了解黑洞并深感困惑之后,會使我們進入一個展示時間、空間、光和物質深刻本質的更加深邃的新視野。”

確認黑洞的存在

在EHT項目啟動前,天文學家們是通過各種間接的證據來表明黑洞的存在,主要有三類代表性證據:一是恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力,對周圍的恒星、氣體會產生影響,科學家可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在;二是根據黑洞吸積物質(相當于“吃東西”)發出的光來判斷黑洞的存在;三是通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。

人類發現的第一個強有力的黑洞候選天體是1964年發現的天鵝座X-1,距離地球約6000光年。天鵝座X-1有一個正在被它吃掉的“舞伴”,但伴星的質量卻比它本身更加大,引發了廣泛的爭議,其身份長期懸而不決,霍金都為此打過賭(并輸掉了)。科學家們后來測得天鵝座X-1的質量約為14.8個太陽,視界半徑300公里,應該是一個“胃口”非常小的黑洞。

目前,科學家們更為關注的一類黑洞候選系統是軟X射線瞬變源。這類系統包含一個小質量的舞伴,通常處于寧靜態,但會出現間歇性的X射線爆發現象,間隔時間從數月到數十年不等。間歇性爆發的時候,就是探測黑洞的好時機。

根據理論計算,銀河系中應該存在上千萬個恒星量級的黑洞,現在得到確認的只有20多個。

黑洞是什么樣的存在

受限于科技的發展,100多年來,人類只知道黑洞的存在,而無法摸索到黑洞的具體形態。雖然科學家們看不到黑洞的本體,但可以一直追溯到光子消失的“視界”,這是我們能“看到”的極限。

黑洞周圍的確會存在一些發光的現象,比如黑洞在吃掉周圍的恒星時,會將恒星的氣體撕扯到身邊,形成一個旋轉的吸積盤。黑洞有時候也會“打嗝”,一部分吸積氣體會沿轉動方向被拋射出去,形成噴流。

吸積盤和噴流都會因氣體摩擦而產生明亮的光線,以及其他頻段的輻射。

1978年,盧米涅給出了黑洞事件視界的第一幅圖像。但這不是一張真正的照片,而是他利用自己的數學知識和相關技術以及60年代的一臺IBM 7040穿孔卡片計算機對黑洞景象進行的電腦模擬。

利用電腦模擬產生的數據,盧米涅用鋼筆和印度墨水在底片上描繪黑洞,整個過程就像是一臺人體打印機。這幅模糊的圖像展示了觀察者靠得足夠近時看到的一個扁平盤內物質墜入黑洞的景象。

盧米涅繪出黑洞事件視界的第一幅圖像40余年后,人類將首次目睹黑洞的“真容”。

歷時2年多 “黑洞”照片首秀

“事件視界望遠鏡”(EHT)這個虛擬的大望遠鏡由8臺望遠鏡組成。分別是:南極望遠鏡(South Pole Telescope);位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);位于智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡(Atacama Pathfinder Experiment);墨西哥的大型毫米波望遠鏡(Large Millimeter Telescope);位于美國亞利桑那州的(Submillimeter Telescope);位于夏威夷的麥克斯韋望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);位于夏威夷的亞毫米波望遠鏡(Submillimeter Array);位于西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠鏡。它們在2017年4月對兩個黑洞目標進行了聯合觀測。

從2018年起,又有格陵蘭島望遠鏡、位于法國的IRAM NOEMA天文臺和位于美國的基特峰國立天文臺加入后續的研究和校準工作。

全球一共60多個研究機構參與了研究,其中包括中國科學院下屬的上海天文臺、云南天文臺等機構,以及華中科技大學、南京大學、中山大學、北京大學、中國科學院大學、臺灣大學等高校。這也是中國上海和臺北兩地聯合舉辦新聞發布會的原因。

黑洞照片“拍”起來難,“洗”出來也難,這也是從拍攝到洗出照片用了2年多的原因。首先,要選擇合適的拍照對象——近鄰的超大質量黑洞是完美的黑洞成像候選體。其次,共同合作組成一個超級大望遠鏡——視界望遠鏡(EHT)。再次,必須在合適的觀測波段——毫米波。

面對記錄的龐大數據量,進行復雜的數據后期處理和分析,獲取最終的黑洞圖像。2017年4月份的EHT觀測中每個臺站的數據率達到驚人的32Gbit/s,8個臺站在5天觀測期間共記錄約3500TB數據。此外,在2017年4月的聯合觀測以后,研究團隊還進行了一些數據收集和校準的工作。

科學家們少年般的興奮

而此次的黑洞“首秀”,與其說這是一張照片,不如說是一次實景“描繪”。

來自8個觀測點的天文望遠鏡將觀測到的電磁波集中“反饋”,利用對這些電磁波信號的分析,科學家們可以獲得和黑洞附近高溫物質分布相關的一些物理量。再結合多年來不斷完善的黑洞理論模型,將模擬量和觀測量比對,得到黑洞成像。

盡管圖像是根據比對形成,但是天文和物理學家們依然表達了少年般的興奮度——并不是只有普通民眾樂于見到直觀影像。

“我為即將看到這一圖像感到非常開心!”芝加哥大學教授丹尼爾·霍爾茲(Daniel Holz)表示。“盡管我知道里面采用了數學運算,相關理論也經過了徹底測試,但這仍然是關于一個真實物體的近距離圖片。太酷了。”

耶魯大學的天體物理學家普里亞瓦達·納塔拉哈恩也表示:“能夠如此近距離接觸黑洞實在令人興奮。”加州大學圣塔芭芭拉分校研究黑洞的天體物理學家蒂莫西·布蘭德則興奮地說:“僅僅是能夠看到它就會讓人覺得太棒了。我們會在科學方面了解一些東西,而且隨著時間推移知道得會越來越多。只看到這些圖像都會覺得非常酷。”

“一旦我們成功對黑洞陰影成像,就可以將觀測結果與理論預言相比較,檢驗考慮了時空彎曲、超高溫及超強磁場等物理性質在內的大量模型。令人驚訝的是,我們所觀測到圖像的許多特征與理論預言相匹配”,EHT 董事會成員賀曾樸評論道,“這使得我們對觀測的理論解釋,包括對黑洞質量的測量,都充滿信心。”

專家連線:

北京天文館館長 朱進

1、黑洞到底是什么?它是如何形成的呢?

朱進:我們說黑洞主要指的是一類密度巨大的天體,它表面的逃逸速度已經超越了光速,所以任何物質包括光子都不可能從黑洞中出來。據目前所知銀河系的中心就是一個超大質量黑洞,它是一個400萬倍太陽質量的黑洞,我們由此可以認為每個星系的中心都是一個黑洞,此外,大質量恒星演化到晚期也會坍縮成一個黑洞。

2、黑洞是黑色的嗎?

朱進:實際上說的黑色指的是連光也無法逃逸出去,所以說它是黑色的。

3、黑洞真的會像人們口中說的那樣吞噬周圍的一切嗎?

朱進:所謂的吞噬一切其實就是一個引力效果,因為質量很大所以引力很強。但是也不一定就會“掉”進去,周圍的物體仍然會繞著黑洞轉動,但是由于黑洞引力的原因,會產生黑洞潮汐力,這個潮汐力對周邊的物體產生影響,隨著時間的演化會被吸入黑洞。

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