黑洞到底长啥样?再等三天,首张黑洞照片即将亮相!

黑洞到底长啥样?再等三天,首张黑洞照片即将亮相!
2019年04月08日 08:18 新浪科技综合

  来源:新民科学咖啡馆

  首张黑洞照片要来啦!

  北京时间4月10日21时整,全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和中国台北、日本东京和美国华盛顿)将以英语、西班牙语、汉语和日语四种语言,通过协调召开全球新闻发布会,事件视界望远镜(EHT)宣布一项重大成果,与超大质量黑洞的照片有关。在上海,EHT项目和中国科学院将发布这一重大成果。

 来源:视觉中国 来源:视觉中国

  黑洞到底长啥样呢?

  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(event horizon)。

  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)和中等质量黑洞(介于两者之间)。

  黑洞的名字,乍一听,黑的洞,那是不是表明没法看见;如果没法看见,那怎么就知道它存在呢?在这次拍照前,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。

  第一,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,于是我们可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。

  第二,根据黑洞吸积物质(吃东西)发出的光来判断黑洞的存在。

  第三,通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。

  还有很多类似的证据,无不说明了黑洞真实存在。但这还是间接的,我们想直接“看”到黑洞。

  EHT组织将地球多地的望远镜组合成一个望远镜网络,这些望远镜协同工作,记录下制作黑洞图像所必需的信息。

  EHT负责人谢泼德·多尔曼(Sheperd Doeleman)说:“首先你得拥有超高的放大倍数,好比你身在纽约,也能够清楚细数远在洛杉矶的一个高尔夫球上的凹洞。”

  随后你还要有办法让视线穿透弥漫在银河系中的气体以及围绕在黑洞周边的高温气体。要达到这一目标,需要有一个与地球体积相当的巨型望远镜才行。

  根据多尔曼的讲述,EHT团队将全球多座天文望远镜连接起来,创建了一个“虚拟的地球大小的望远镜”。团队将分散在世界各地的射电望远镜同步,使它们同时观测宇宙中的某个方位,并将所观测到的无线电波记录在硬盘中。

  咖啡师曾于2017年5月2日独家报道了上海科学家参与此次黑洞的“拍摄”历程,一起来回顾下吧!

  地球人合力“拍摄”的第一张宇宙黑洞“照片”,好了吗?答案是:“拍摄”出人意料的顺利,“出品”尚需耐心等待。参与此次国际联合观测项目的中科院上海天文台副台长、研究员沈志强今天向本报透露,“事件视界望远镜”对银河系中心超大质量黑洞人马座A*的首度“拍照”,已顺利完成全部“拍摄”,接下来还需要相当长的一段时间完成复杂的数据分析,距离真正的“照片成像”时间还早。虽因观测频率不同,上海的天马望远镜不是“事件视界望远镜”的成员之一,但它以另一种形式与此次黑洞观测事件“结缘”。

  为什么要给黑洞“拍照”?

  截至4月11日,‘事件视界望远镜’就已顺利完成了对银河系中心超大质量黑洞人马座A*预定的5次观测(或者说是拍摄),观测非常成功,特别幸运的是,观测期间,分布在全球各地的8面射电望远镜(阵)所在地的天气都出奇的好。”沈志强告诉记者,接下来的数据分析工作还是需要时间的。

  据沈志强介绍,“事件视界望远镜”是由国际上可以工作在230GHz或更高频率的亚毫米波射电望远镜所组成的VLBI(甚长基线干涉)阵列,目前包括分布在全球六个地方的8个射电望远镜(阵):南极的SPT、智利的ALMA(阵)和APEX、墨西哥的LMT、美国亚利桑那的SMT、美国夏威夷的JCMT和SMA(阵)和西班牙的30米IRAM。天马望远镜的最高工作频率是43GHz,因此不在“事件视界望远镜”之列。“但是,天马望远镜与日韩射电望远镜组成的东亚VLBI网在此次‘事件视界望远镜’观测前后开展了大量的22GHz和43GHz成图监测,就目前已完成的观测来看,天马望远镜的作用非常明显。这些观测与其它的地面红外、空间X射线和伽玛射线卫星同期的观测,共同构成了对该超大质量黑洞的多波段协同观测研究。”可见,在“事件视界望远镜”潜心为黑洞“拍照”时,天马望远镜也对黑洞投去了专心致志的凝视,使人们又对黑洞多了一分了解。

  黑洞居然可以被“看见”?

  黑洞一旦形成,就会在周围形成一个界面,这个界面被称作“事件视界”(event horizon),也就是此次望远镜的名字。中科院上海天文台左文文博士解释说,它就像一堵无形的墙将内部被高度扭曲的时空和外界时空隔离开,该界面以内的物质都无法逃离,即使光也不例外。

  那么,给黑洞“拍照”究竟是拍什么呢?答案:黑洞的“阴影”。2000年,天文学家们基于广义相对论下的光线追踪程序,首次模拟出银河系中心黑洞人马座A*在无线电波段上“看”起来的样子。根据其模拟结果,天空平面会被一个名为黑洞“视边界”的圆环一分为二。一边是在视边界圆环以内的光子,只要在视界面以外就能逃离黑洞,但受到很强的引力作用,亮度低;一边是在视边界圆环以外的光子,能绕着黑洞绕转多圈,积累的亮度足够高。于是,我们就会看到在视边界内侧的亮度明显更弱环。

  我们在一步步逼近黑洞

  “事件视界望远镜”对银心超大质量黑洞人马座A*的首度“拍照”,是一项大规模的国际合作研究,目前世界上该领域的几乎所有研究人员,都不同程度地参与其中。沈志强透露:“我们也参与了事件视界望远镜之一的位于夏威夷莫纳克亚山上的东亚天文台15米望远镜(JCMT)的观测运行。”

  位于银河系中心的超大质量黑洞人马座A*,一直是黑洞研究的最佳对象,因为它是从地球上望去最大的黑洞。早在2005年,沈志强领衔的国际天文研究小组,首次将黑洞人马座A* “锁定”在1.5亿公里直径的区域内。他相信,“人们正一步步逼近银河系中心的超大质量黑洞。”

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