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人类首次“看到”黑洞正面照

来源:网络整理 编辑:丰农 时间:2019-04-14

  黑洞是广义相对论预言存在的一种天体,它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围,该势力范围称作事件视界。

  四大洲、8个观测点组成虚拟望远镜网络,让黑洞首次有了一张“正面照”。

  近年来,中国参与国际合作的广度和深度不断加大,在吸收世界创新养分的同时,也不断贡献中国智慧。

  

  大量天文观测数据已证实,浩瀚的宇宙当中,无数的黑洞神秘地藏身于各星系中。但人类却从未直接“看”到过黑洞真容。

  2017年4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们启动了一项雄心勃勃的庞大观测计划。他们将分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络。最终,科学家们成功拍摄到了黑洞的第一张“照片”。北京时间4月10日21时,这张“大片”在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京六地同时发布。

  4年前,两个黑洞合并产生的引力波信号被科学家“捕捉”到,成为科学界的一个里程碑事件,人类开始“听”到黑洞。这一次,人类终于眼见为实。

  有许多间接证据证明黑洞的存在,但科学家从未直接“看”到

  黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体,它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围,该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界。

  黑洞怎么形成的?像宇宙万物一样,恒星也会衰老死亡。一些大质量恒星在核聚变反应燃料耗尽时,内核会急剧塌缩,所有物质快速向着一个点坍缩,最终坍缩成一颗黄豆大小的奇点,并形成一个强大的力场漩涡,扭曲周围时空,成为黑洞。

  根据质量,天文学家将宇宙中的黑洞分成三类:恒星级质量黑洞(几十倍到上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。根据理论推算,银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞。然而,因为黑洞自身不发射和反射电磁波,仪器和肉眼都无法直接观测到它。

  既然无法“看见”,怎么知道它存在呢?天文学家们主要是通过各种间接的证据。一是恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力,对周围的恒星、气体会产生影响,可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。二是根据黑洞吸积物质,也就是“吃东西”时发出的光来判断黑洞的存在。第三则是通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。到目前为止,通过间接的观测,科学家们在银河系发现和确认了20多个恒星级质量黑洞,但可能有上千万个恒星级黑洞候选体。

  中国科学院上海天文台研究员沈志强说:“宇宙每个星系中心都有一个超大质量的黑洞。我们居住的银河系中心就有一颗,它的质量大约是太阳质量的400多万倍。除此之外,银河系还有很多恒星级黑洞。”

  黑洞和宇宙的诞生和演化有何关系?又和我们人类有什么关系?为了更准确清晰地解答这些问题,科学家们想直接“看”到黑洞。

  口径如地球大小的虚拟望远镜,灵敏度和分辨本领前所未有

  广义相对论预言,虽然黑洞本身不发光,但因为黑洞的存在,周围时空弯曲,气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中,引力能转化为光和热,因此气体被加热至数十亿摄氏度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,事件视界看起来就像阴影,阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。

  中国科学院上海天文台研究员路如森说:“对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接‘视觉’证据。这就必须要保证望远镜足够灵敏,能分辨的细节足够小,从而保证看得到和看得清。”

  但满足上述所有条件,望远镜的口径需要像地球大小。然而,目前地球上已有的单个望远镜最大口径也只有500米,远远不够用。怎么解决?

  一个难以想象的大科学计划诞生了:用分布全球的8个观测点,组成一个口径如地球直径大小的虚拟望远镜,其所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。条件苛刻的观测点,包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。

  全球超过200名科学家达成了“事件视界望远镜”(EHT)这一重大国际合作计划,决定利用甚长基线干涉测量技术。沈志强说:“就是利用多个位于不同地方的望远镜在同一时间进行联合观测,最后将数据进行相关性分析之后合并,这一技术在射电波段已相当成熟。”

  被拍照的黑洞质量超大,但因距离遥远,就像在地球上看放在月球表面的橙子

  在组建大型虚拟望远镜的同时,科学家们也在寻找着合适的拍摄目标。

  黑洞阴影和周围环绕的新月般光环非常小。在拍照设备能力有限的情况下,要想拍摄到黑洞照片,必须找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为目标。

  科学家们甄选之后,决定将近邻的两个黑洞作为主要目标:一个是位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*,另一个则是位于射电星系M87的中心黑洞M87*。此次照片“主角”正是M87中心的超大质量黑洞。

  沈志强说:“由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比,这也意味着质量越大,其事件视界越大。我们选定的这两个黑洞质量都超级大,它们的事件视界在地球上看起来也是最大的,可以说是目前最优的成像候选体。”

  尽管被选择的两个黑洞已是最优成像候选体,但要清晰为它拍照,难度还是极其大。Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳,所对应的视界面尺寸约为2400万公里,相当于17个太阳的大小。然而,地球与Sgr A*相距2.5万光年之遥。“这就意味着,它巨大的视界面在我们看来,大概只有针尖那么小,就像我们站在地球上去观看一个放在月球表面的橙子。”沈志强说。

  M87中心黑洞的质量更为巨大,达到了60亿个太阳质量。尽管M87中心黑洞与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远,但因质量庞大,所以它的事件视界对科学家们而言,可能跟Sgr A*大小差不多,甚至还要稍微大一点。

  要想看清楚两个黑洞事件视界的细节,事件视界望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。要多高呢?路如森说:“比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上。”但也别以为,只要虚拟望远镜阵列的分辨率足够高,就一定能成功给黑洞拍照。如同观看电视节目必须选对频道一样,对黑洞成像而言,在合适的波段进行观测至关重要。

  此前的一系列研究表明,观测黑洞事件视界“阴影”的最佳波段约为1毫米。路如森说,这是因为气体在这个波段的辐射最明亮,而且射电波也可以不被阻挡地从银河系中心传播到地球。在这种情况下,望远镜的分辨率取决于望远镜之间的距离,而非单个望远镜口径的大小。

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