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首张黑洞照片被捕获
2019-04-12    点击:

北京时间4月10日消息,这就是天文学家捕获的首张黑洞照片!此次发布的黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系 M87中心的黑洞,其距离地球 5500万光年,质量为太阳的 65 亿倍。该图像的许多特征与爱因斯坦广义相对论的预言完全相一致,在强引力极端环境下进一步验证了广义相对论。

黑洞是什么?

自上世纪中期开始,人们对黑洞的探秘就从未停止过。

200多年前,英国的米歇尔和法国的拉普拉斯就曾提出: 一个质量足够大但体积足够小的恒星会产生强大的引力,以致连光线都不能从其表面逃走,因此这颗星是完全“黑”的,但这一推论随后被人遗忘。

1915年爱因斯坦发表广义相对论不久,德国数学家史瓦西得到了静态球对称情况下爱因斯坦场方程的一个解,解在一个特殊半径(后称史瓦西半径)处存在奇异性。

1939年美国物理学家奥本海默等也证明确实存在一个时间-空间区域,光也不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。这一区域的边界称为视界,在静态球对称情况下,视界半径就是史瓦西半径。如果某天体的半径小于史瓦西半径,那么该天体就应该是“黑”的,无法被我们看到。

科学家们把这些引力极强而又“看不到”的特殊天体称为“黑洞”。因此,黑洞也是爱因斯坦广义相对论预言的一种产物。

黑洞如何形成:都是引力惹的祸

中国科学院国家天文台研究员陆由俊说:“目前比较明确的是恒星级质量的黑洞是恒星塌缩的遗骸;而大质量黑洞则有可能由其它机制产生的中等质量黑洞吸积物质长大而成。”

所有的恒星都是核聚变反应炉,在其中,轻元素(主要是氢)聚合成重元素。核聚变过程提供了恒星一生的大部分能量。不过,最终,核燃料耗尽,由中心产生的能量再也无力对抗外壳巨大的重量,引力开始起主宰作用。

根据相对论,没有东西能行进得比光还快。如果光都逃逸不出来,其他东西更不可能:所有东西都会被引力场拉回去。这样,就出现了一个事件的集合或时空区域,光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者——我们将这一区域称谓黑洞,将其边界称作事件视界。

如何确认黑洞的存在

科学家们可以通过黑洞对周围天体的影响来间接地感受到它的存在,尤其是它巨大的引力造成的时空扭曲,就像可以通过月亮的绕行轨道和速度来间接推测地球的质量。

其次,上文提到过吸积盘和喷流会产生发光现象,伴随其他频段的辐射。

最后,黑洞与其他天体或另一个黑洞的相互作用会产生大量引力波,也是可探测的线索。

为什么要给黑洞拍照

没有什么比照片更适合证明黑洞的存在。

科学家们给黑洞拍照的过程长达两年之久,为什么科学家们要这么执着给黑洞拍照呢?科学界给黑洞拍照的念头,至少存在了30年了。爱因斯坦在相对论中就曾经预言过黑洞的存在,尽管科学界已经普遍达成共识,但对于公众来说,还是有着质疑的声音。怎样更好的证明黑洞的确曾在?拍张照“有图有真相”肯定最有说服力。

然而,这张照片的拍摄难度可不是一般的大。黑洞离我们实在太远了,哪怕是“够档次”的天文望远镜,分辨率依然不够。科学家们估计,至少得地球那么大的天文望远镜,才能达到给黑洞拍照的条件。

现有的单个望远镜肯定是不够了,咋办?这一次给黑洞拍照,科学家们就想出了“化整为零”的方法,麻省理工学院的科学家们联合了其它研究机构的科研人员,开展了“事件视界望远镜”项目,在全球多地布下了8个亚毫米射电望远镜,同时对黑洞展开观测。今天晚上大家看到的黑洞“真容”,就是望远镜“8兄弟”齐心协力的结果。

什么样的黑洞适合拍照

黑洞阴影和周围环绕的新月般光环是非常小的,在拍照设备能力有限的情况下,要想拍摄到黑洞的照片,毫无疑问,我们希望找到一个看起来直径足够大的黑洞作为对象。

由于黑洞事件时界的大小与其质量成正比,这也就意味着质量越大,其事件视界越大,因此近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体,位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*和近邻射电星系M87*星系中心是两个目前已知最优的候选体。

黑洞的照片是怎么拍出来的?

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。

什么样的望远镜可以对黑洞成像?

要对黑洞成像,必须保证望远镜足够灵敏,能分辨的细节足够小,从而能保证看得到和看得清。满足这些条件,最好的工具莫过于1967年出现的甚长基线干涉测量技术(值得一提的是,该VLBI技术也成功应用于我国嫦娥探月工程的探测器的测定位)。假定在1毫米波长探测,一个长度为1万千米的基线能获得约21微角秒的分辨本领。

这次拍到了哪个黑洞的照片?

两个超大质量黑洞。一个是银河系中心黑洞Sgr A*,一个位于室女座的M87星系中心。之所以选择这两个目标,而不是银河系中更近的恒星级黑洞,是因为它们的视界从地球上看足够大。

长久以来,科学家们就发现几千亿颗恒星围绕着银河系中心转动,推测出那里存在一个超大质量的天体。根据计算,Sgr A*的质量大约相当于400万个太阳,视界半径约2400万公里。听起来足够大,不过,鉴于银河系中心黑洞远在2.5万光年(约24亿亿公里)之外,实际效果相当于在地球上观察一颗放在月球上的橙子,或者在北京看清上海一颗高尔夫球上的小坑。

M87中心的超大质量黑洞则达到了66亿倍太阳质量,视界范围大约是冥王星轨道的三倍。当然,因为距离更远的缘故,M87中心黑洞在地球上看的实际效果与Sgr A*可能相差不大。

怎么拍出分辨率这么高的照片?

全球望远镜组成阵列,联合观测,形成一个有效口径等于地球直径的大望远镜。这个虚拟的大望远镜叫做“事件视界望远镜”(EHT),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。

只可远观:会把人变成意大利面

尽管人们对黑洞的热情高涨,但其只可远观而不可接近,否则,后果很严重。简单来说,如果你和黑洞靠得太近,你就会就像意大利面一样被拉长。这一现象有个极富创意的名字“意大利面条效应”。之所以会产生这种效应,是因为人体各处受到的引力大小不同。

如果你两脚朝下飞向黑洞,由于你的脚离黑洞更近,它受到的引力将比头部受到的引力要大。更糟糕的是,由于胳膊并非位于身体中心,它们被拉长的方向会与头部的朝向稍有不同,你身体的边缘部位会被拉进身体里。最后的结果是,你的身体不仅被拉长了,而且还变细了。因此,还没等你(或其他物体)抵达黑洞中心,你就早早地变成了一根意大利面条。

被黑洞拉成意大利面条的宇航员

(责编:唐琰琳)

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