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黑洞,今天終于可以看到你的樣子 首張黑洞照片今晚9點面世

2019-04-10 15:26:16       來源:錢江晚報    作者:記者 章咪佳 俞任飛

  2019年4月2日,中國科學院上海天文臺發布了一則簡短的通知。

  通知提到,事件視界望遠鏡項目(Event Horizon Telescope,簡稱EHT)將和中國科學院一道,發布一項“來自于EHT的最新重大成果”。

  正在輿論猜測之際,4月5日來自中國科學院的最新消息稱:首張黑洞照片目前正在最后“沖洗”階段,其問世已進入倒計時。

  北京時間2019年4月10日晚上9點整,將宣布一項與超大質量黑洞照片有關的重大成果。

  包括中國科學院上海天文臺在內的一些國內機構,也參與了此次國際合作。

  在經過百年的探索后,人類即將揭開黑洞的神秘“面紗”。

  黑洞最早的寫生

  18世紀,英國地理學家約翰·米歇爾(John Michell)便已經意識到:宇宙中有致密的天體,可以達到滴“光”不漏的程度——密度大到連光都完全無法逃逸。

  1968年,美國天體物理學家約翰·惠勒(John Archibald Wheeler)正式提出,將這樣的天體,稱作“黑洞”,它們自身不發光,吸入所有一切,什么都逃不出來。

  多年來,天文學家也只是基于物理學定律和基本假設,用計算機模擬黑洞的真容。1978年,利用電腦模擬產生的數據,天體物理學家讓-皮埃爾·盧米涅(Jean-Pierre Luminet)用鋼筆和印度墨水繪制了第一幅模擬黑洞圖像。黑白的圖像展現了落入黑洞的扁平物質,它看起來并不平坦,因為黑洞強大的引力,使周圍的光發生彎曲。

  40年來,科學家也已看到了黑洞的一些邊緣證據,比如物質落入黑洞時,會因摩擦和引力作用形成一個巨大的高熱吸積盤,就像是抽水馬桶放水時產生的旋渦。

  如何找到黑黢黢的黑洞

  地球人怎么能看到、拍到宇宙中一個完全黑暗的物質?

  探測黑洞的方法,是找它們的“周邊”——吸積盤和噴流。

  當恒星量級(從3個太陽質量到100個太陽質量大小)的黑洞會存在于一個恒星周圍,將恒星的氣體撕扯到它自己身邊,產生一個圍繞黑洞旋轉的氣體盤,即吸積盤。

  當吸積氣體過多,一部分氣體在掉入黑洞視界面之前,在磁場的作用下被沿轉動方向拋射出去,形成噴流。

  吸積盤和噴流兩種現象,都因氣體摩擦而產生了明亮的光與大量輻射,所以很容易被地球上的科學家通過望遠鏡探測到。理論上,黑洞也就有跡可循了。

  月球上的“橙子”和“香泡”

  但是這種曲線救國的方式找黑洞,并不容易。

  根據理論推算,銀河系中應該存在著上千萬個恒星量級的黑洞。可到目前為止,科學家只確認了20多個黑洞的存在,此外還有四五十個黑洞候選體。

  即將亮相的黑洞——銀河系中心黑洞Sgr A*(人馬座A);位于星系M87中的黑洞(M87 室女座星云)。

  中科院天文學教授茍利軍解釋說,之所以選定這兩個黑洞作為觀測目標,是因為它們的視界面在地球上看起來是最大的。“其他黑洞因為距離地球更遠或質量有限,觀測難度更大。”

  Sgr A*黑洞的質量大約相當于400萬個太陽,所對應的視界面尺寸約為2400萬公里,這個視界面就相當于17個太陽的大小。“哇,超大是不是?”茍利軍說,但是地球與Sgr A*相距2.5萬光年(約24億億公里)之遙,這就意味著,它巨大的視界面在我們看來,大概只有針尖那么小。茍老師打個比方說:“就像我們站在地球上去觀看一只放在月球表面的橙子。”

  M87中心黑洞的質量更大,達到了60億個太陽質量。盡管與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠,但因質量龐大,所以它的視界面對我們而言,可能比Sgr A*這只“橙子”稍微大那么一點兒,大概像一只香泡吧。

  這張照片為什么難拍

  發現黑洞已如此不易,怎么給它拍照?

  要想觀測遙遠的黑洞,依靠目前地球上任何單個望遠鏡遠遠不夠。

  在過去10多年時間里,麻省理工學院(MIT)的科學家們聯合了其他研究機構的科研人員,開展了“事件視界望遠鏡”項目,全球各地8個射電望遠鏡同時對黑洞展開觀測。

  為了增加空間分辨率,以看清更為細小的區域,科學家們在此次進行觀測的望遠鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠鏡。

  在所有參與觀測的望遠鏡當中,智利的ALMA毫米望遠鏡是最為重要的一個,因為它的靈敏度是目前單陣列望遠鏡當中最高的。但它的檔期非常滿。ALMA望遠鏡排滿了一系列觀測計劃,所以此次黑洞視界面的觀測,ALMA望遠鏡只計劃進行四五天,其中兩個晚上觀測銀河系中心黑洞SgrA*,剩下的時間留給星系M87黑洞。

  要保證所有8個望遠鏡都能看到這兩個黑洞,留給科學家們的觀測窗口期非常短暫,每年只有大約10天時間。

  8個望遠鏡組成的國際部隊,不能直接看到黑洞,但它們將收集大量關于黑洞的數據信息,勾勒出黑洞的樣子。

  洗照片,少則半年,長則兩年,給黑洞拍張照片不容易,“洗照片”更是耗時漫長。

  對于此次跨越南北半球的事件視界望遠鏡觀測,因其所涉及的站點區域非常廣闊,所產生的數據量將十分龐大。事件視界望遠鏡每一個晚上所產生數據量可達2PB    (2000000GB)。幫助科學家找到“上帝粒子”的歐洲大型質子對撞機,一年產生的數據量也就這個量級。

  在觀測結束之后,各個站點收集的數據,被匯集到兩個數據中心——位于美國麻省的Haystack天文臺和德國波恩的馬普射電所。在那里,大型計算機集群將會對數據時間進行合并與分析,從而產生一個關于黑洞的圖像。這一分析所需的時間少則半年,長則數年。

  最終我們等了這張照片兩年。

  “黑洞圖像,將幫助人們回答噴流是如何產生并影響星系演化的。”天文愛好者莊則以說,事件視界望遠鏡的觀測對于科學研究有著非常重大的意義,“即便是只能夠看到幾個像素,此次視界面望遠鏡的觀測也將是人類黑洞觀測史上的重要一步。”

  總之,我們何其幸運,或許將成為茫茫宇宙中,第一批親眼看到黑洞的碳基生物。

  從預言到看見,黑洞研究跨越百年

  對黑洞的研究,始于上世紀初。通過廣義相對論,愛因斯坦第一次預言了黑洞的存在。緊接著,德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)通過計算,證實了如果將大量物質集中于一個點,其周圍就會產生奇異的現象。之后,這種不可思議的天體,被命名為“黑洞”。

  黑洞是如何誕生的,黑洞有多大……在奧本海默、霍金等一系列科學家的研究下,對于黑洞的認識在此后幾十年有了長足的進步。直到1970年,美國人造衛星“自由號”發現,天鵝座X-1天體上一個比太陽重30多倍的巨大藍色星球,正被一個看不見的物體牽引著。這被學界認作是人類發現的第一個黑洞。

  之后越來越多的黑洞被發現。2017年12月,美國卡耐基科學研究所科學家發現了有史以來最遙遠的超大質量黑洞,它的質量是太陽的8億倍。同年,諾貝爾物理學獎被授予給3位美國科學家,以表彰他們對觀測引力波的決定性貢獻。在他們的努力下,2016年激光干涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)合作組宣布,他們于2015年9月14日探測到了引力波,它來自于兩個黑洞的碰撞。而這項工作,也真正證實了黑洞的存在。

  如今,對黑洞的研究已延續百年。這一次,我們終于能見到黑洞的“廬山真面目”。  

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責任編輯:高曉川
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