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黑洞,我们终于看到了你

2019-04-14 10:31:16来源:

4月10日,人类史上首张黑洞照片面世 新华社发(事件视界望远镜项目组供图)

跨越5500万光年,以一张高清“写真”首次向人类展示真容

为了这一“眼”,包括中国科学家在内的全球30多个研究所200多位研究人员花费10年,“冲洗”照片又耗费2年

4月10日,人类终于看见黑洞真容!

经过10多年准备,四大洲8个观测点组成虚拟望远镜网络———一个如同地球直径大小的事件视界望远镜(EHT),在集齐所有观测数据并深度分析后,让黑洞终于拥有了一张“正面照”。

多年来,一些间接证据陆续证实黑洞的存在。就在4年前,两个黑洞合并产生的引力波信号被科学家“捕捉”

到,成为科学界的一个里程碑事件,人类开始“听”到黑洞。这一次,人类终于眼见为实。

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!

“观测结果与理论预言非常一致,这证实在黑洞这样的极端条件下,广义相对论仍然成立。”中国科学院上海天文台台长沈志强说,先辈科学家为我们这个世界搭建的理论模型,再次经受住考验。

给黑洞拍照的难点,在参与此次大科学计划的专家眼中,可以用三个字来形容:“小”“暗”“扰”———细节太小,信号太暗,干扰太多。

黑洞如此遥远,寻找它如同从地球观察月球上的一个橘子,需要的望远镜口径超乎想象。况且,这个望远镜还要足够灵敏,才能“看”得清极其微小的细节。

这是一个难以想象的大科学计划:用分布全球的8个观测点,组成一个口径如地球直径大小的虚拟望远镜。

要顺利拍照,不仅要“看”得远,还要选对频道。“对黑洞成像而言,最佳的波段进行观测至关重要,这个波段就在1毫米附近,成像的分辨率相当于能在黑龙江漠河阅读南沙群岛上的一张报纸。”上海天文台研究员路如森说。

拍照难,洗照也不易。望远镜记录下的海量数据,需要进行复杂的后期处理和分析,才能获取最终的黑洞图像。

以2017年4月的观测为例,每个台站的数据率达到惊人的32GB/秒,8个台站在5天观测期间共记录约3500TB的数据。专家表示,如果是像看电影一样不间断地看,这些数据至少需要500多年才能看完。

该国际合作项目负责人、哈佛大学教授谢泼德·多尔曼表示,十多年来,正是技术的突破、新望远镜的建成,最终使人类能够“看到”黑洞。(新华社)

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 新华社发

黑洞照片出炉背后中国科学家深度参与

从首张月背照片到首张黑洞照片,人类观测宇宙的新窗口正在不断打开。在探索宇宙奥秘的征程中,中国也不断贡献着智慧。

中国科学家全程参与了给黑洞拍照这项国际合作,在早期推动这一项国际合作、望远镜观测时间申请、夏威夷望远镜观测运行、后期数据处理和理论分析等方面均做出了贡献。

羊城晚报记者从上海天文台了解到,中国科学院天文大科学中心是EHT的合作机构,由国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同构成。上海天文台台牵头组织协调国内学者,通过天文大科学中心作为合作机构,参与此次EHT项目合作。

此次参与EHT观测的JCMT望远镜,目前由中科院天文大科学中心参与的EHT合作机构负责运营。位于中国内地的射电望远镜未参与正式的观测,但在2017年3月到5月的前期全球联合观测中,上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜作为东亚VLBI网成员,共同参与了密集的毫米波VLBI协同观测,为最终的黑洞成像提供了总流量的限制。

中科院上海天文台台长沈志强介绍说,虽然早在两年前就观测(拍摄)完成,将照片“洗出来”却花了两年时间。这是因为,虚拟的大望远镜阵列并非直接拍出黑洞的图像,而是给出了许多数据,科学家们必须进行复杂的计算机处理过程,对于其中缺失或模糊的部分,还需要科学家们进行拼图。在2017年4月的联合观测后,研究团队还另外进行了数据收集和校准的工作。中国其他科研机构的多名研究人员也以不同形式参与了后期数据的分析和解读。

天体物理博士、上海天文台副研究员左文文接受记者采访时说:“在EHT项目合作方面,中国科学家参与了推动EHT项目的国际合作,我们也参与了望远镜的数据分析、处理和文章撰写。”

记者何晶

关于黑洞,你不得不知道的7个问题

1 什么是黑洞?

1915年,爱因斯坦提出真正“预见”黑洞的广义相对论。20世纪60年代,美国天体物理学家约翰·惠勒首次将“黑洞”作为一个科学术语提出。

2015年堪称黑洞研究的一个小高峰:引力波探测项目为黑洞的存在提供了明确证据。

科学界普遍认为,黑洞是宇宙中最神秘的天体,几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,其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。此外,黑洞完全不发射和反射任何电磁波,仪器和肉眼都无法观测到它。

理论上讲,任何有质量的物体都能被压缩成一个黑洞。比如,如果地球质量不变,体积缩小10亿倍,压缩成直径18毫米的球体,那地球就会变成一个黑洞。根据理论推算,银河系中光恒星量级的黑洞就有上千万个。

2 黑洞如何被看到?

无法通过仪器观测,那黑洞又是怎样被“看到”并确定位置的呢?

远方的天体发出的光线经过黑洞附近会发生弯曲,黑洞扮演了引力透镜的角色。很多来自遥远背景星系的光线在途经黑洞产生的引力场时,发生扭曲而形成弧形,甚至会变成圆环状。在绝大多数星系的中心都存在一个超大质量黑洞,正如地球围绕太阳转,星系中的横行也都围绕着超级黑洞旋转。只要观测到这些现象就能确定黑洞的位置。

有些黑洞因为“贪吃”而被人类观测到。当黑洞吞噬恒星等物质时,这些物质会被黑洞的巨大引力撕扯成气体,这些气体在黑洞视界外围形成一个旋转的气体吸积盘。吸积盘中的气体高速运旋转,气体之间相互摩擦会产生大量的热并发出强烈的X射线。通过捕捉宇宙中的X射线,可以推断黑洞的存在。

有的黑洞处于双星系统,另一个天体是正常恒星。恒星的物质进入黑洞周围的吸积盘中,吸积气体的量过多时会沿着黑洞的两个转轴将多余的气体抛射出去,形成喷流。吸积盘和喷流都能够产生电磁辐射,科学家利用地面或者太空望远镜就可以探测到黑洞的存在。中国发射的“慧眼”太空望远镜就是利用这个方法观测黑洞的。

黑洞从周围天体吸积物质(构想图) 新华社发

3 “事件视界望远镜”项目是什么?

给黑洞拍照,需要举全球之力。这一名为“事件视界望远镜” ( EHT )的项目团队由来自全球的数百名研究人员组成。该项目集合了分布在全球各地的8个射电望远镜(西班牙1个,夏威夷2个,美国本土1个,墨西哥1个,智利2个,南极1个)组成一个虚拟的射电望远镜网络。这个虚拟望远镜网络的有效口径达到了地球直径大小,通过该望远镜人类第一次看到了黑洞的视界面。

4 给黑洞拍照时我们在拍什么?

由于黑洞附近的吸积盘非常热且亮,与黑洞对比明显,因此可以通过观测吸积盘来为黑洞拍照。如果黑洞后面有一个类似于吸积盘的平面光源,平面光源发出的光子会受到黑洞的强引力场影响。天空平面(与视线方向垂直的面)会被黑洞“视边界”圆环一分为二。从视觉上,在视边界内侧的亮度明显更弱,相比之下,看起来就像一个圆形的隐形,外面包围着一个明亮的光环。科学家们称之为黑洞的“暗影”。

科学家给黑洞拍照,实际上就是拍摄黑洞的“暗影”。

5 拍摄的黑洞离地球有多远?

这个项目的主要任务是拍摄两个黑洞。一个位于银河系中心,名为“人马座A*”,是距离我们最近的超大质量黑洞;另一个就是位于银河系邻近星系M87中心的黑洞。它们是按人类“现有的能力”确定的“理想观测对象”。

“人马座A*”,距地球也有2.6万光年,是从地球上看过去最大的黑洞。由于它与地球相距遥远,在地球上观测它就像我们站在地球上去看一颗放在月球表面的橙子。

星系M87的中心黑洞的质量约为65亿个太阳的质量,但它距离地球大约5500万光年。

6 为何只公布一张黑洞照片?

EHT项目重点观测了两个黑洞。为何此次选择公布M87中心黑洞的照片呢?

上海天文台研究员、博士生导师郭福来说,这是因为M87中心黑洞的观测和成像结果更清晰。“人马座A*和地球都处在银河系,而且目前处于休眠期,观测难度更大,科学家们还在继续处理梳理数据,没有达到预期效果。”

7 给黑洞拍照有什么意义?

给黑洞拍照对人类来说有什么重要意义呢?马克斯·普朗克射电天文研究所所长安东·岑苏斯说:“我们希望借此验证广义相对论的有关预测,并了解星系的形成和演化。终极目标是从天文领域认识自然,了解宇宙的形成。”

简单来说,通过给黑洞拍照,科学家们能实现三个目标:第一,验证广义相对论。广义相对论预言了黑洞“暗影”的存在、尺寸和形状。如果观测结果与预言相符,就验证了广义相对论。

第二,理解黑洞是如何“吃东西”的。黑洞的“暗影”

区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域,综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息,能更好地重构黑洞“吃东西”的物理过程。

第三,理解喷流的产生和方向。某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前,会由于磁场的作用,沿着黑洞的转动方向被喷出去。以前收集的信息无法告诉科学家在靠近喷流产生的源头之处发生了什么。对黑洞进行拍摄,能助科学家一臂之力。

文/何晶 赵鹏

来源:金羊网

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