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愛因斯坦預言獲證 黑洞照片怎么拍的 ?

重慶晨報 2019年04月11日 09:24

  原標題:我們終于一睹黑洞真容 愛因斯坦,你又對了

  浩瀚星空中,黑洞是極神秘又惹人遐思的天體。

  它,“吞噬”一切,連光也無法逃脫。它,體積小、質量大,可以彎曲周圍的時空。它的“前世今生”帶著重重謎團,讓人好奇無比。

  人類史上首張黑洞照片面世!北京時間10日晚9時許,包括中國在內,全球多地天文學家同步公布首張黑洞真容。這一由200多名科研人員歷時10余年、從四大洲8個觀測點“捕獲”的視覺證據,有望證實愛因斯坦廣義相對論在極端條件下仍然成立。

  首次“看到”黑洞

  愛因斯坦的廣義相對論說對了

  百余年來,人類探尋黑洞奧秘的腳步從未停歇。

  從愛因斯坦的廣義相對論率先預言黑洞的存在,到惠勒提出“黑洞”概念,再到霍金提出“黑洞是時空的扭曲者”……科學家們日益相信,宇宙中存在許多大小不一的黑洞,甚至在銀河系的中心就有一個超大黑洞。

  多年來,一些間接證據陸續證實黑洞的存在,人類不斷插上科幻翅膀勾畫黑洞容顏。

  科幻電影也在不斷“幻想”黑洞影像。在電影《星際穿越》中,黑洞“卡岡圖雅”是那深不見底的黑色中心與明亮立體的氣體圓圈。

  就在4年前,兩個黑洞合并產生的引力波信號被科學家“捕捉”到,成為科學界的一個里程碑事件,人類開始“聽”到黑洞。

  這一次,人類終于眼見為實。

  此次露出真容的黑洞,位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心,距離地球5500萬光年,質量約為太陽的65億倍。它的核心區域存在一個陰影,周圍環繞一個新月狀光環!

  “這是人類獲得關于黑洞的第一個直接視覺證據,證實了愛因斯坦廣義相對論在極端條件下仍然成立。”參與國際合作的中方科學家、中國科學院上海天文臺臺長沈志強說,先輩科學家為我們這個世界搭建的理論模型,再次經受住考驗。

  上海天文臺研究員路如森難掩興奮:“黑洞的暗影區域和光環,相當于打開一扇窗,未來可以更好地重構黑洞‘吞噬’的物理過程,深入了解這個過程中發生的奇異事件。”

  拍照難在哪兒?

  用全球8個觀測點尋“至暗信號”

  給黑洞拍照的難點,在參與此次大科學計劃的專家眼中,可以用三個字來形容:“小”“暗”“擾”——細節太小,信號太暗,干擾太多。

  黑洞如此遙遠,尋找它如同從地球觀察月球上的一個橘子,需要的望遠鏡口徑超乎想象。況且,這個望遠鏡還要足夠靈敏,才能“看”得清極其微小的細節。

  要給黑洞拍照,依靠人類現有任何單個天文望遠鏡都遠遠不夠。

  這是一個難以想象的大科學計劃:用分布全球的8個觀測點,組成一個口徑如地球直徑大小的虛擬望遠鏡。條件苛刻的觀測點,包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點等。

  要順利拍照,不僅要“看”得遠,還要選對頻道。“對黑洞成像而言,最佳的波段進行觀測至關重要,這個波段就在1毫米附近,成像的分辨率相當于能在黑龍江漠河閱讀南沙群島上的一張報紙。”路如森說。

  不同的望遠鏡各有所長。正是給黑洞拍照的這一特殊要求,讓包括“中國天眼”在內的一些大型望遠鏡“束手旁觀”。

  專家解釋,這一波段的黑洞電磁波輻射最明亮,而背景“噪音”的干擾又最小。

  拍照難,洗照也不易。望遠鏡記錄下的海量數據,需要進行復雜的后期處理和分析,才能獲取最終的黑洞圖像。

  躋身世界一流

  中國成國際科學合作重要參與者

  從首張月背照片到首張黑洞照片,人類觀測宇宙的新窗口正在不斷打開。在探索宇宙奧秘的征程中,中國也不斷貢獻著智慧。

  我國科學家全程參與了給黑洞拍照這項國際合作,在早期推動這一項國際合作、望遠鏡觀測時間申請、夏威夷望遠鏡觀測運行、后期數據處理和理論分析等方面均做出了貢獻。

  沈志強說,基礎科學研究的國際合作是大勢所趨,但很多時候不能只靠經費投入“湊份子”,前期研究和人才積累是取得合作“話語權”的重要因素。

  從“中國天眼”(FAST)到“世界巨眼”(SKA),從人類基因組測序到泛第三極環境研究,近年來,中國參與國際合作的廣度和深度不斷加大,在吸收世界創新養分的同時,也不斷貢獻中國智慧。

  隨著全球射電天文學方興未艾,接連涌現類星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射四大天文發現。近年來,我國陸續建成多座射電望遠鏡,口徑從25米到65米再到500米,從追趕到并跑,天文學研究開始逐步躋身一流。

  黑洞的順利成像不是終點。主持歐洲地區發布會的德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長安東·岑蘇斯強調,未來還將增加望遠鏡的數量,甚至對新的黑洞進行觀測,繼續驗證廣義相對論的有關預測,借此了解星系的形成和演進,為人類解開更多奧秘……

  簡介

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  黑洞照片“主角”

  坐標:室女座一個巨橢圓星系M87的中心

  質量:為太陽的65億倍

  距離:與地球相距約5500萬光年

  形態:中心為黑色的明亮環狀結構,看上去有點像甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“陰影”,明亮部分是繞黑洞高速旋轉的吸積盤

  意義

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  這次發現直接證明黑洞的存在

  將進一步探索周圍氣體的運動

  對于這次發現的意義,中國科學院大學教授,國家天文臺恒星級黑洞研究創新小組負責人茍利軍認為,最直接的意義就在于人類第一次直接確認了黑洞的存在,“此前有很多間接證據證明黑洞的存在,但不排除還有一絲是其他星體的可能性,這次的發現就能直接說明黑洞的存在。”

  對于黑洞研究的下一步方向,茍利軍認為,科學家可能會進一步提高黑洞照片的清晰度,“這樣我們也可以去更進一步了解黑洞周圍的環境。”此外,他認為,黑洞周圍氣體的運動也將是科學家進一步探索的方向之一。

  4問首張黑洞照片的拍攝

  釋疑

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  1.既然看不見,怎么拍黑洞的照片?

  雖然科學家們看不到黑洞的本體,但可以一直追溯到光子消失的“視界”,這是我們能“看到”的極限。

  黑洞周圍的確會存在一些發光的現象,比如黑洞在吃掉周圍的恒星時,會將恒星的氣體撕扯到身邊,形成一個旋轉的吸積盤。黑洞有時候也會“打嗝”,一部分吸積氣體會沿轉動方向被拋射出去,形成噴流。

  吸積盤和噴流都會因氣體摩擦而產生明亮的光線,以及其他頻段的輻射。

  2.怎么尋找黑洞?

  科學家們可以通過黑洞對周圍天體的影響來間接地感受到它的存在,尤其是它巨大的引力造成的時空扭曲,就像可以通過月亮的繞行軌道和速度來間接推測地球的質量。

  其次,上文提到過吸積盤和噴流會產生發光現象,伴隨其他頻段的輻射。

  最后,黑洞與其他天體或另一個黑洞的相互作用會產生大量引力波,也是可探測的線索。

  3.怎么拍出分辨率這么高的照片?

  全球望遠鏡組成陣列,聯合觀測,形成一個有效口徑等于地球直徑的大望遠鏡。這個虛擬的大望遠鏡叫做“事件視界望遠鏡”(EHT),由8臺望遠鏡組成。分別是:南極望遠鏡;位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣望遠鏡;位于智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡;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。它們在2017年4月對兩個黑洞目標進行了聯合觀測。

  從2018年起,又有格陵蘭島望遠鏡、位于法國的IRAM NOEMA天文臺和位于美國的基特峰國立天文臺加入后續的研究和校準工作。

  全球一共60多個研究機構參與了研究,其中包括中國科學院下屬的上海天文臺、云南天文臺等機構,以及華中科技大學、南京大學、中山大學、北京大學、中國科學院大學、臺灣大學等高校。這也是中國上海和中國臺北兩地聯合舉辦新聞發布會的原因。

  4.2017年拍的照片,為什么現在才公布?

  黑洞照片“拍”起來難,“洗”出來也難。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。其中還有些缺失或模糊的部分,需要科學家們拼圖。

  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。

  縱深

  黑洞其實不太黑,洞也不是那個洞?

  黑洞,這個恍若鬼魅的天體又開始侵襲我們的視野。它是在時間和空間中形成的“洞”,不斷吞噬周圍物質,增加自己的質量;它也是光子的“牢籠”;它貪得無厭,永不停息地吞噬著周圍的一切……這是世人繪制的黑洞的經典圖像:既霸蠻又貪吃。但真是如此嗎?

  來者不拒?有些黑洞很“挑食”

  據物理學家組織網報道,一些黑洞是貪婪的貪食者,吸入大量氣體和灰塵;而其他黑洞則很挑食。

  同樣是超大質量黑洞,為什么“貪吃”的程度差別如此巨大?這一問題一直以來都是困擾天體物理學家的難題。

  中國科學院國家天文臺研究員陸由俊解釋說:“原因是不同星系核心的環境不一樣。有的星系的中心由于受到諸如星系碰撞過程等的擾動,氣體沉積到中心黑洞附近,為黑洞提供了豐富的食物,以至于它們可以大快朵頤;而有的星系中心區域則比較平穩,只有少量氣體能夠到達黑洞附近,使得黑洞不得不淺斟慢酌。”

  只可遠觀:會把人變成意大利面

  盡管人們對黑洞的熱情高漲,但其只可遠觀而不可接近,否則,后果很嚴重。簡單來說,如果你和黑洞靠得太近,你就會就像意大利面一樣被拉長。這一現象有個極富創意的名字“意大利面條效應”。之所以會產生這種效應,是因為人體各處受到的引力大小不同。

  如果你兩腳朝下飛向黑洞,由于你的腳離黑洞更近,它受到的引力將比頭部受到的引力要大。更糟糕的是,由于胳膊并非位于身體中心,它們被拉長的方向會與頭部的朝向稍有不同,你身體的邊緣部位會被拉進身體里。最后的結果是,你的身體不僅被拉長了,而且還變細了。因此,還沒等你(或其他物體)抵達黑洞中心,你就早早地變成了一根意大利面條。

  終極命運:或隨時間蒸發殆盡

  1973年,霍金在彎曲時空量子場論的研究中發現原來“黑洞不黑”。原本經典理論上“一毛不拔”的黑洞在黑洞量子力學中也可以通過一定的機制發射黑體輻射,這就是霍金輻射。

  但我們又知道,任何東西都不能從黑洞的事件視界之內逃逸出來,黑洞怎么可能發射粒子呢?量子理論給我們的回答是,粒子不是從黑洞里面出來的,而是從緊靠黑洞的事件視界的外面的“空虛的”空間來的。

  霍金在《時間簡史》中解釋稱,“空虛的”的空間充滿虛粒子反粒子對。它們被一同創生,相互離開,然后再回到一起并且湮滅。如果黑洞存在,帶有負能量的虛粒子落到黑洞里可能會變成實粒子或者反實粒子。這種情形下,它不再需要和它的伴侶相互湮滅了。它被拋棄的伴侶可以落到黑洞中去。或者由于它具有正能量,也可以作為實粒子或反實粒子從黑洞的鄰近逃走。

  而且,黑洞的質量越小,其溫度就越高。這樣,隨著黑洞損失質量,它的溫度和發射率增加,導致其質量損失得更快。因此,小質量的黑洞,霍金輻射強,它們很快就會蒸發掉,一個10-15克的黑洞被蒸發掉所需的時間與宇宙的年齡相仿。

  4、5版稿件據新華社、央視、科技日報等

  前世今生

  探索簡史

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