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高光时刻!一“眼”百年,原来你是这样的黑洞!

发布时间:2019-4-12 0:29:49  来源:转载  编辑:佚名
 

这是人类史上首张黑洞照片。 新华社发(事件视界望远镜项目组 供图)

千龙网综合报道 北京时间4月10日晚9时许,包括中国在内,全球多地天文学家同步公布首张黑洞照片。这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点“捕获”的视觉证据,有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。

这是人类第一次凝视曾经只存在于理论中的天体——黑洞,一种体积极小、质量极大的天体,如同一个宇宙“吞噬之口”,连光也无法逃逸。

为了这一“眼”,人类等了100多年。黑洞这一宇宙“巨兽”跟你想象中的一样吗?黑洞是怎么形成的?这次被拍到的黑洞是谁?黑洞是怎么被拍到的?为什么照片要“洗”这么久?

人类首次“看见”黑洞

浩瀚星空中,黑洞是极神秘又惹人遐思的天体。

它,“吞噬”一切,连光也无法逃脱。它,体积小、质量大,可以弯曲周围的时空。它的“前世今生”带着重重谜团,让人好奇无比。

尽管在《星际穿越》等科幻电影中,我们曾一次次“真切”地领略黑洞的瑰丽,但那些画面都只是导演们“一厢情愿”的想象,黑洞到底长啥样没人真正见过。

约100年前,以爱因斯坦为代表的伟大科学家预言,大质量恒星在燃料耗尽、生命终结之后会向内部中心区域崩塌、集聚,最终形成黑洞。

早期,黑洞只存在于牛顿万有引力定律和爱因斯坦广义相对论的公式和方程中,因为太过“超出人类理解”,就连最早预言的人都怀疑黑洞的真实存在。“直至2015年,人类首次探测到两个黑洞合并所产生的引力波,才强有力地证明了黑洞的存在,但那仍只是间接证明。”参与此次国际合作的中科院上海天文台台长沈志强说。

所以,无图无真相,在没有眼见为实“看到”黑洞之前,它一直是“传说”。

这一次,人类终于眼见为实。

4月10日,中国科学院上海天文台举行新闻发布会,发布人类史上首张黑洞照片。新华社记者 方喆 摄

4月10日晚,数百名科学家参与合作的“事件视界望远镜(EHT)”项目在全球多地同时召开新闻发布会,发布了人类拍到的首张黑洞照片。

此次露出真容的黑洞,位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环。

“事件视界望远镜”就是为观测黑洞的“事件视界”而设计的。它由分布在全球多地的射电望远镜组成,相当于一台口径为地球直径的超级望远镜。2017年4月,从美国夏威夷到智利、从伊比利亚半岛到南极的这些望远镜在同一时刻对准M87中心黑洞拍照,其难度相当于从地球上给月球表面的一个橙子成像。照片经过近两年的数据处理及理论分析后“冲洗”完成。

照片给出黑洞这一极端天体存在的最直接证据,验证了广义相对论,也将帮助回答星系中的壮观喷流如何产生并影响星系演化等诸多前沿问题。

【黑洞研究史】

百余年来,人类探寻黑洞奥秘的脚步从未停歇。

从爱因斯坦的广义相对论率先预言黑洞的存在,到惠勒提出“黑洞”概念,再到霍金提出“黑洞是时空的扭曲者”……已故的科学大师虽未亲眼得见黑洞真容,但他们的猜想却激励着后人不断求解,把他们的理论付诸实践。

●1798年

法国数学家、物理学家拉普拉斯根据牛顿力学计算,一个直径为太阳250倍而密度与地球一样大的天体,其引力足以捕获其发出的光线而成为一个暗天体,也称为“暗星”。

●1915年

爱因斯坦广义相对论诞生,预言存在黑洞这样一种天体。

●1916年

德国天文学家史瓦西发现所有的星体都存在一个史瓦西半径,如果星体的实际半径比它的史瓦西半径要小,那么它就会变成一个黑洞。比如,太阳的史瓦西半径是3000米。

●1939年

美籍犹太裔物理学家奥本海默根据广义相对论证明,当天体的质量大于临界质量时,引力坍塌后不可能达到任何的稳态,只能形成黑洞。

●1970年

美国的“自由”号人造卫星发现位于天鹅座X-1上一个比太阳重30多倍的巨大星球,被一个重约10个太阳的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞,这是人类发现的第一个黑洞。

●1974年

英国物理学家霍金证明黑洞具有与其温度相对应的热辐射,称为“黑洞辐射”。黑洞的质量越大,温度越低,辐射过程就越慢。

【黑洞,是不是你想象中的样子?】

黑洞,总会让人感到神秘莫测。百余年前,爱因斯坦的广义相对论率先对黑洞作出预言,从此成为许多科幻电影的灵感源泉。科学家陆续通过一些间接证据证实了黑洞的存在,但人类始终没有真正“看到”过黑洞。

那些年,我们以为黑洞是这样的:

黑洞的边界也许是面燃烧的火墙。

黑洞边界并不是某种固体障碍。

双黑洞合并模拟图

美国国家航空航天局(NASA)钱德拉X射线天文台探测到的银河系中心的超大质量黑洞

黑洞从周围天体吸积物质的构想图

利用超冷流体将声波困住,以色列科学家在实验室中创造出了一个能发出霍金辐射的类黑洞。

出现在电影《星际穿越》中的黑洞,周围的亮环是由气体构成的吸积盘。

实际上,人类首张黑洞照片是这样的:

看起来似乎比电影中的黑洞更梦幻。跟你想象中的一样吗?

【黑洞是怎么形成的】

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。

那么,黑洞是怎么形成的?

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,所有物质快速的向着一个点坍缩,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。

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—上百倍太阳质量);

超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上);

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。

【被拍到的黑洞是谁?】

恒星级黑洞太小了,以现有的技术,直接拍到它们的真容几乎不可能。

所以今天亮相的主角,是超大质量黑洞!

超大质量黑洞可以算是大BOSS,这种级别的黑洞,甚至有上百亿个太阳质量之巨!

这一次联合观测的两大候选黑洞,就是位于银河系中心的Sgr A *黑洞和银河系外的M87黑洞!之所以选定这两个黑洞作为观测目标,是因为它们的视界面在地球上看起来比较大。

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。但因为过于遥远,依然看上去像是站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子。

M87位于室女座,M87距离太阳系约5000万光年。M87中心黑洞的质量达到了60亿个太阳质量,尽管与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远,但因质量庞大,所以它的视界面跟Sgr A*大小差不多。

可以看到,Sgr A *离我们近,但质量小,M87虽然离得远,但质量够大!在地球上看两者大小比较接近,因此M87就成了这次拍照的首选!

【黑洞是怎么被拍到的?】

为什么一个世纪以来,人类都没能拍到黑洞?

那是因为黑洞视界范围,也就是能被看到的界线非常非常小。而且黑洞自身不发光,难以直接探测。

科学家们便只能“曲线救国”,采用一些间接方式来探测黑洞,比如,观察吸积盘和喷流。

吸积盘,就是围绕黑洞旋转的气体盘,由恒星的气体组成。还有一部分气体在掉入黑洞视界面之前会形成喷流。

物质被吸入黑洞时会产生大量光和热,因此很容易被科学家探测到。

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。但要观测到黑洞,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。

那该怎么办?

聪明的天文学家们想到了一个好办法——搞强强联合。

把地球上现有的一些望远镜“组合”起来,就能够形成一个口径如地球大小的“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。

这次的“黑洞捕手”是事件视界望远镜EHT(Event Horizon Telescope)。

于是,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。

最终,科学家们选定了来自全球多地的包括南极望远镜等8个亚毫米射电望远镜,模拟出了一台地球大小的超级望远镜。这个计划始于2015年,并在2017年4月EHT就已经完成了拍摄。

【“事件视界望远镜”是什么?】

黑洞几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,并在周围形成一个强大的引力场,在一定范围之内,连光线都无法逃脱。光线不能逃脱的临界范围被称为黑洞的半径或“事件视界”,也叫“视界面”。

现在望远镜的半径越造越大,我国的FAST已经有500米口径,已经发现了很多脉冲星。但是,要想观测遥远的黑洞,依靠目前任何单个望远镜都远远不够。2017年的4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划,利用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。苟利军说,在2017年8个不同的望远镜进行观测的基础上,2019年又加了一台望远镜。

“事件视界望远镜”就是利用“甚长基线干涉技术(VLBI)”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。

【给“黑洞”拍照难在哪?】

8个望远镜北至西班牙,南至南极,它们将向选定的目标撒出一条大网,捞回海量数据,为我们勾勒出黑洞的模样。

留给科学家们的观测窗口期非常短暂,每年只有大约10天时间。对于2017年来说,是在4月5日到4月14日之间。

除了观测时间上的限制,拍摄对天气条件要求也极为苛刻。

按照要求,计划选择的8个望远镜所在之处均是位于海拔较高,降雨量极少,全部晴天的概率非常高。

此外,要成像成功还必须要求所有望远镜在时间上完全同步。

北京时间2017年4月4日,事件视界望远镜启动拍摄,将视线投向了宇宙。最后的观测结束于美国东部时间4月11日。

观测期间,每一个射电望远镜都收集并记录来自于目标黑洞附近的射电波信号,这些数据然后被集成用于获得事件视界的图像。

【为什么照片要“洗”这么久?】

给黑洞拍张照片不容易,“洗照片”更是耗时漫长。

射电望远镜不能直接“看到”黑洞,但它们将收集大量关于黑洞的数据信息,用数据向科学家们描述出黑洞的样子。

在观测结束之后,各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心(分别位于美国麻省Haystack天文台和德国波恩的马普射电所)。在那里,超级计算机通过回放硬盘记录的数据,在补偿无线电波抵达不同望远镜的时间差后将所有数据集成并进行校准分析,从而产生一个关于黑洞高分辨率影像。

此后,经过长达两年的“冲洗”,2019年4月10日,人类历史上首张黑洞照片终于问世。

【这张照片在科学上有多重要?】

苟利军说,因为是第一次看到黑洞,从科学的角度可以提供很多信息,帮助我们了解气体在黑洞内区真正的运动状态。

“之前根据研究,我们知道了黑洞周边有一些很壮观的现象,比如喷流等,还知道了黑洞的质量、转动等性质。但是,之前没有很好的方式去了解,虽然有一些方法,但可能有误差,也不知道是不是准确。因为不同的模型得到的结果往往偏差很大,相差几倍在天文学中是很正常的。”

有了这幅照片,科学中一些与黑洞有关的悬而未决的问题,就有了解决的可能。

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