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终于一睹黑洞“芳容” :人类史上首张黑洞照片面世

时间:2019-4-10 21:53:54   作者:风云   来源:环球网   阅读:13   评论:0
内容摘要:  【环球网科技综合报道】4月10日晚间9点,历时2年多,黑洞终于揭开了神秘的面纱。比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿等全球六地于今天晚上同步召开全球新闻发布会,发布了人类史上首张黑洞照片。往昔神秘莫测,一直只能被文字定义的黑洞...

  【环球网科技综合报道】4月10日晚间9点,历时2年多,黑洞终于揭开了神秘的面纱。比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿等全球六地于今天晚上同步召开全球新闻发布会,发布了人类史上首张黑洞照片。往昔神秘莫测,一直只能被文字定义的黑洞,终于通过照片的形式展现在了世人的面前。

终于一睹黑洞“芳容”_:人类史上首张黑洞照片面世

  照片“主角”是室女座超巨椭圆星系M87中心的超大质量黑洞,其质量是太阳的65亿倍,距离地球大约5500万光年。照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构,看上去有点像甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“阴影”,明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘。

  作为照片的发布方,事件视界望远镜(EHT)通过“甚长基线干涉技术”和全球多个射电天文台的协作,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜,用于黑洞探测,也是这一望远镜,将宇宙“黑洞”变成了彩色照片。

  专家称,人类首张黑洞照片的问世,将对研究黑洞具有重要意义。

  什么是黑洞?

  早在1915年,爱因斯坦发表广义相对论,最先预言了黑洞的存在。理论上,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。

  而黑洞(Black hole)这个名词,是1968年由美国天文学家惠勒在一个报告里面提出的。宇宙中,根据质量天文学家们将宇宙中的黑洞分成三类:恒星级质量黑洞(几十倍至上百倍太阳质量)、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)。

  有关黑洞的概念,早就有科学家通过数学公式推导出来了。

  比如,1796年法国科学家拉普拉斯就在著作里写了一段话:假如有一个恒星,密度跟地球一样,而直径比太阳大250倍,那么它表面的逃逸速度将超过光的传播速度。恒星本来应该是发光的,但是从远方看这个恒星,它却是绝对黑暗的,你不可能看到它。

  关于黑洞,法国天文学家卢米涅也说过一段话,他说:“黑洞是恒星死亡后的一种残骸,它是引力收缩的极点,极端到近乎荒唐(指它的一些性质用现有的物理学知识无法解释)。但它又是宇宙当中最精美的天体。了解黑洞并深感困惑之后,会使我们进入一个展示时间、空间、光和物质深刻本质的更加深邃的新视野。”

  确认黑洞的存在

  在EHT项目启动前,天文学家们是通过各种间接的证据来表明黑洞的存在,主要有三类代表性证据: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,科学家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(相当于“吃东西”)发出的光来判断黑洞的存在;三是通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。

  人类发现的第一个强有力的黑洞候选天体是1964年发现的天鹅座X-1,距离地球约6000光年。天鹅座X-1有一个正在被它吃掉的“舞伴”,但伴星的质量却比它本身更加大,引发了广泛的争议,其身份长期悬而不决,霍金都为此打过赌(并输掉了)。科学家们后来测得天鹅座X-1的质量约为14.8个太阳,视界半径300公里,应该是一个“胃口”非常小的黑洞。

  目前,科学家们更为关注的一类黑洞候选系统是软X射线瞬变源。这类系统包含一个小质量的舞伴,通常处于宁静态,但会出现间歇性的X射线爆发现象,间隔时间从数月到数十年不等。间歇性爆发的时候,就是探测黑洞的好时机。

  根据理论计算,银河系中应该存在上千万个恒星量级的黑洞,现在得到确认的只有20多个。

  黑洞是什么样的存在

  受限于科技的发展,100多年来,人类只知道黑洞的存在,而无法摸索到黑洞的具体形态。虽然科学家们看不到黑洞的本体,但可以一直追溯到光子消失的“视界”,这是我们能“看到”的极限。

  黑洞周围的确会存在一些发光的现象,比如黑洞在吃掉周围的恒星时,会将恒星的气体撕扯到身边,形成一个旋转的吸积盘。黑洞有时候也会“打嗝”,一部分吸积气体会沿转动方向被抛射出去,形成喷流。

  吸积盘和喷流都会因气体摩擦而产生明亮的光线,以及其他频段的辐射。

  1978年,卢米涅给出了黑洞事件视界的第一幅图像。但这不是一张真正的照片,而是他利用自己的数学知识和相关技术以及60年代的一台IBM 7040穿孔卡片计算机对黑洞景象进行的电脑模拟。

  利用电脑模拟产生的数据,卢米涅用钢笔和印度墨水在底片上描绘黑洞,整个过程就像是一台人体打印机。这幅模糊的图像展示了观察者靠得足够近时看到的一个扁平盘内物质坠入黑洞的景象。

  卢米涅绘出黑洞事件视界的第一幅图像40余年后,人类将首次目睹黑洞的“真容”。

  历时2年多 “黑洞”照片首秀

  “事件视界望远镜”(EHT)这个虚拟的大望远镜由8台望远镜组成。分别是:南极望远镜(South Pole Telescope);位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜(Atacama Pathfinder Experiment);墨西哥的大型毫米波望远镜(Large Millimeter Telescope);位于美国亚利桑那州的(Submillimeter Telescope);位于夏威夷的麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);位于夏威夷的亚毫米波望远镜(Submillimeter Array);位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜。它们在2017年4月对两个黑洞目标进行了联合观测。

  从2018年起,又有格陵兰岛望远镜、位于法国的IRAM NOEMA天文台和位于美国的基特峰国立天文台加入后续的研究和校准工作。

  全球一共60多个研究机构参与了研究,其中包括中国科学院下属的上海天文台、云南天文台等机构,以及华中科技大学、南京大学、中山大学、北京大学、中国科学院大学、台湾大学等高校。这也是中国上海和台北两地联合举办新闻发布会的原因。

  黑洞照片“拍”起来难,“洗”出来也难,这也是从拍摄到洗出照片用了2年多的原因。首先,要选择合适的拍照对象——近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体。其次,共同合作组成一个超级大望远镜——视界望远镜(EHT)。再次,必须在合适的观测波段——毫米波。

  面对记录的庞大数据量,进行复杂的数据后期处理和分析,获取最终的黑洞图像。2017年4月份的EHT观测中每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s,8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据。此外,在2017年4月的联合观测以后,研究团队还进行了一些数据收集和校准的工作。

  科学家们少年般的兴奋

  而此次的黑洞“首秀”,与其说这是一张照片,不如说是一次实景“描绘”。

  来自8个观测点的天文望远镜将观测到的电磁波集中“反馈”,利用对这些电磁波信号的分析,科学家们可以获得和黑洞附近高温物质分布相关的一些物理量。再结合多年来不断完善的黑洞理论模型,将模拟量和观测量比对,得到黑洞成像。

  尽管图像是根据比对形成,但是天文和物理学家们依然表达了少年般的兴奋度——并不是只有普通民众乐于见到直观影像。

  “我为即将看到这一图像感到非常开心!”芝加哥大学教授丹尼尔·霍尔兹(Daniel Holz)表示。“尽管我知道里面采用了数学运算,相关理论也经过了彻底测试,但这仍然是关于一个真实物体的近距离图片。太酷了。”

  耶鲁大学的天体物理学家普里亚瓦达·纳塔拉哈恩也表示:“能够如此近距离接触黑洞实在令人兴奋。”加州大学圣塔芭芭拉分校研究黑洞的天体物理学家蒂莫西·布兰德则兴奋地说:“仅仅是能够看到它就会让人觉得太棒了。我们会在科学方面了解一些东西,而且随着时间推移知道得会越来越多。只看到这些图像都会觉得非常酷。”

  “一旦我们成功对黑洞阴影成像,就可以将观测结果与理论预言相比较,检验考虑了时空弯曲、超高温及超强磁场等物理性质在内的大量模型。令人惊讶的是,我们所观测到图像的许多特征与理论预言相匹配”,EHT 董事会成员贺曾朴评论道,“这使得我们对观测的理论解释,包括对黑洞质量的测量,都充满信心。”

  专家连线:

  北京天文馆馆长 朱进

终于一睹黑洞“芳容”_:人类史上首张黑洞照片面世

  1、黑洞到底是什么?它是如何形成的呢?

  朱进:在现代广义相对论中,黑洞是宇宙空间内存在的一种天体。是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后,发生引力坍缩产生的。黑洞会形成强大引力场,使得视界内的逃逸速度大于光速。吸收周围物质,连光也会被吸进去。没有光线出来,所以才叫它黑洞。

  2、黑洞是黑色的吗?

  朱进:实际上说的黑色指的是连光也无法逃逸出去,所以说它是黑色的。

  3、黑洞真的会像人们口中说的那样吞噬周围的一切吗?

  朱进:所谓的吞噬一切其实就是一个引力效果,因为质量很大所以引力很强。2016年1月,霍金等人提出:落入黑洞的粒子的信息部分并没有消失,有些信息会以不同的形式释放出来,只不过很难还原和破解。

  4、黑洞照片冲洗用了约两年的时间?为什么这么久?

  朱进:可能是因为数据量比较大,并且涉及到全球八个不同地方的望远镜,数据归拢统一需要费一定的时间。此外,在数据处理的过程中,也存在一些技术难点,需要长时间的进行沟通与校准。


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