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看明白人類首張“黑洞”圖,你要弄懂這十個問題

時間:2019-04-11 09:19:19  來源:新京報  作者:李玉坤 王俊  瀏覽量:; 字體設置:
熱點導讀:   新京報快訊(記者 李玉坤 王俊)4月10日晚,人類首張黑洞照片“沖洗”完成,多國科學家在比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京、美國華盛頓

  新京報快訊(記者 李玉坤 王俊)4月10日晚,人類首張黑洞照片“沖洗”完成,多國科學家在比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京、美國華盛頓6個地方同步發布。

  室女座星系團中超大質量星系 Messier 87中心的黑洞圖像。圖源:中科院之聲

  該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系Messier 87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。圖中心的暗弱區域即為“黑洞陰影”。

  一、黑洞是什么,概念是誰提出的?

  中科院國家天文臺研究員茍利軍說,對于黑洞的認識經歷了一個漫長的過程。

  理論上,黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體。它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍。

  不過,黑洞的概念最早出現在1798年。拉普拉斯根據牛頓力學計算,一個直徑為太陽250倍而密度與地球一樣的天體,其引力足以捕獲其發出的光線而成為一個暗天體,也稱為“暗星”。

  1915年,愛因斯坦廣義相對論誕生。1916年,史瓦西給出了廣義相對論的第一個嚴格解釋,他發現所有的星體都存在一個史瓦西半徑,如果星體的實際半徑比它的史瓦西半徑要小,那么它就會變成一個黑洞。比如,太陽的史瓦西半徑是3千米。

  1939年,奧本海默根據廣義相對論證明當天體的質量大于臨界質量時,引力坍塌后不可能達到任何的穩態,只能形成黑洞。黑洞有兩種,軸對稱的克爾黑洞和球對稱的史瓦西黑洞。

  1974年,霍金證明黑洞具有與其溫度相對應的熱輻射,稱為“黑洞輻射”。黑洞的質量越大,溫度越低,發射過程就越慢。

  二、在人類給黑洞“拍照”前,怎么確認黑洞?

  之前怎么確認黑洞?茍利軍表示,在這次拍照前,天文學家們通過各種間接證據表明了黑洞的存在。

  比如,恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡,黑洞有強引力,對周圍的恒星、氣體會產生影響,于是我們可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在,也可以根據黑洞吸積物質發出的光來判斷黑洞的存在,再就是通過看到黑洞成長的過程發現黑洞。

  1970年,美國的“自由”號人造衛星發現位于天鵝座X-1上一個比太陽重30多倍的巨大星球,被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學家一致認為這個物體就是黑洞,這是人類發現的第一個黑洞。

  中科院國家天文臺研究員劉繼峰領導的國際團隊在世界上首次成功測量到X射線極亮天體的黑洞質量,研究成果2013年11月28日發表在國際權威雜志《自然》上。他們在3個月的時間跨度上對漩渦星系中X射線極亮源M101ULX-1進行了研究,并確認其中心天體為一個質量與恒星可比擬的黑洞。這個黑洞加伴星形成的黑洞雙星系統位于2200萬光年之外,是人類迄今發現的距離地球最遙遠的黑洞雙星。

  三、什么叫“事件視界”和“事件視界望遠鏡”?

  黑洞幾乎所有質量都集中在最中心的“奇點”處,并在周圍形成一個強大的引力場,在一定范圍之內,連光線都無法逃脫。光線不能逃脫的臨界范圍被稱為黑洞的半徑或“事件視界”,也叫“視界面”。

  現在望遠鏡的半徑越造越大,我國的FAST已經有500米口徑,已經發現了很多脈沖星。但是,要想觀測遙遠黑洞,依靠目前任何單個望遠鏡都還遠遠不夠。2017年4月5日到14日之間,來自全球30多個研究所的科學家們開展了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃,利用分布于全球不同地區的8個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網絡。茍利軍說,在2017年8個不同的望遠鏡進行觀測的基礎上,2019年又加了一個望遠鏡。

  “事件視界望遠鏡”就是利用“甚長基線干涉技術”(VLBI) 和全球多個射電天文臺的協作,構建一個口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠鏡。

  四、“連光都逃不出來”,這次如何能拍到黑洞?

  茍利軍解釋,“連光都逃不出來”指的是黑洞里面的情況,這次拍攝的是黑洞周圍、尚未掉入黑洞的氣體所產生的光線和輻射。

  “類似于星際穿越的電影中,中間有黑色的區域,外圍有黑色的圓環之類的,在外部亮的圓環的襯托下,我們將中間黑色的區域稱之為‘黑洞的陰影’。”茍利軍說。

  星際穿越中黑洞巨大的吸積盤吸引了很多觀眾,并被稱為最接近黑洞的想象。

  不過,茍利軍表示,因為誰都沒有“看”到黑洞的照片,之前的圖像都是想象和推測出來的。“廣義相對論在很多情形下驗證是正確的,如果廣義相對論是正確的,那么我們看到的應該就是這種”。

  五、這次拍到了哪個黑洞的照片?

  這次拍攝的主要是兩個超大質量黑洞,一是銀河系中心黑洞Sgr A*,二是位于星系M87中的黑洞。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比較大。

  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,相當于17個太陽的大小。但因為過于遙遠,依然看上去像是站在地球上去觀看一枚放在月球表面的橙子。

  M87位于室女座,M87距離太陽系約5000萬光年。M87中心黑洞的質量達到了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,所以它的視界面跟Sgr A*大小差不多。

  而今晚公布的是M87中的黑洞。

  六、給“黑洞”拍照,有什么難度?

  最開始的8個望遠鏡分別是:南極望遠鏡;位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣;位于智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡;位于墨西哥的大型毫米波望遠鏡;位于美國亞利桑那州的亞毫米波望遠鏡;位于夏威夷的麥克斯韋望遠鏡;位于夏威夷的亞毫米波望遠鏡;位于西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠鏡。

  要保證所有8個望遠鏡都能看到這兩個黑洞,觀測窗口期非常短暫,每年只有大約10天時間,2017年只有4月5日到4月14日合適。

  茍利軍說,這些望遠鏡都是在亞毫米波波段,通常需要在海拔比較高的地方來減少大氣中水汽對于亞毫米光子的影響。比如說位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣的海拔就有5000多米。據了解,該望遠鏡耗資140億美元,靈敏度是目前單陣列當中最高的。

  七、2017年拍的照片,為何要“沖洗”這么長時間?

  茍利軍說,虛擬的大望遠鏡陣列并非直接拍出了黑洞的圖像,而是給出了許多數據,必須經歷復雜的計算機處理過程。

  因為有8個不同的望遠鏡,每一個望遠鏡收到的數據量都非常大,茍利軍說,總的加在一起差不多有10個PB。現在一般的筆記本電腦的硬盤是1TB,這些望遠鏡為此次觀測接收的數據,可以裝滿1萬多個筆記本。

  此外,在2017年4月的聯合觀測以后,研究團隊還進行了一些數據收集和校準的工作。茍利軍說,科學家需要對望遠鏡接受的光子進行定標,確保不同望遠鏡接收到的光子是來自于同一時刻,最后才能將所有圖像進行疊加。其中還有些缺失或模糊的部分,需要科學家們拼圖。

  光既有波動性又有粒子性,觀測到的每一時刻波動性非常強,所以要對每一時刻接受的相位進行相位校對。茍利軍給了一個形象的比喻。“比如我們在拍照片的時候,手晃動的話,相片會模糊掉。這跟照相機的工作模式有關系,照相機曝光時間如果非常短的話,比我們手晃動速度快很多的時候才能拍清楚,這就是為何要用高速攝像機拍攝運動員奔跑的形象。如果用普通照相機拍攝,會得到一個模糊的照片。”

  八、之前聽見“黑洞”合并的聲音,是什么意思?

  2015年9月14日,“激光干涉引力波天文臺”的兩個探測器捕捉到13億年前雙黑洞系統合并產生的引力波轉化成的宇宙之聲。這一發現獲得了2017年的諾貝爾獎,評選委員會表示,宇宙中曾有兩個黑洞發生碰撞,所產生的引力波跨越漫長時空,在2015年9月14日被位于美國的“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)項目探測器探測到,這是人類歷史上首次直接探測到引力波。

  為什么能夠聽見“黑洞”合并的聲音?

  茍利軍說,引力波是完全不同的觀測模式,觀測的頻率是在我們人類聽覺的頻率范圍之內。大概是從幾百赫茲到上千赫茲,這就是為何稱之為“聽見”黑洞合并的時候的聲音。

  九、這次觀測對于科學研究有哪些意義?

  茍利軍說,因為是第一次看到黑洞,所以滿足了我們對黑洞模樣的好奇。另外從科學的角度還可以提供很多信息,幫助我們了解氣體在黑洞內區真正的運動狀態。

  “之前根據研究,知道黑洞周邊一些很壯觀的現象,比如噴流等,還知道了黑洞的質量、轉動等性質。但是,之前沒有很好的方式去了解,雖然有一些方法,但可能有誤差,也不知道是不是準確。因為不同的模型得到的結果往往偏差很大,相差幾倍在天文學中是很正常的。有了這幅圖片,科學中一些與黑洞有關的懸而未決的問題,就有了解決的可能。”

  十、看見“黑洞”,外星人呢?

  對于這次“黑洞”照片公布,平行世界、外星人等話題再度火爆。

  茍利軍說,黑洞跟外星人沒有任何關系,不知道為何大眾會將外星人跟黑洞聯系在一起,他認為是沒有任何科學依據的。

  沒有外星人,黑洞里有什么呢?

  茍利軍說,物質在被黑洞吞噬的過程當中,首先會被撕裂成最基本的粒子,然后很可能在黑洞內又進一步發生其他的物態變化。經典的理論認為,掉到黑洞里的物質都會朝著中心的奇點運動,最后聚集在那里。隨著聚集的物質越來越多,質量也會變得越來越大,黑洞的半徑也會變得越來越大。

  新京報記者 李玉坤 王俊

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