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交汇点明天直播人类史上首张黑洞照片面世!全球200多名天文学家“并肩观测”

来源: 新华报业网   作者:王梦然 张宣  2019-04-09 19:31:00

黑洞想象图。 视觉中国 图

  在过去的几十年里,天文科学家通过无数次的反复观测、复杂的推理演算,试图证实黑洞的存在。然而,这一次,人类将“直击”黑洞,以照片为证,直接证实黑洞存在。

  4月10日21点,全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、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(Event Horizon Telescope,简称EHT)将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果,人类首张黑洞照片即将在全球六地同步发布。

  这是对爱因斯坦广义相对论的又一极限验证,也是人类在迈向宇宙的漫漫征途中,竖立起的又一里程碑。

  什么是黑洞,为什么要拍摄它?

  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。黑洞的几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,“奇点”在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。光线不能逃脱的临界半径被称为“视界面”——顾名思义就是视线所能到达的界面。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(几十倍至上百倍太阳质量)、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)。

  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,中科院紫金山天文台研究院韦大明介绍,这些方法包括通过恒星、气体的运动推测黑洞的踪迹、根据黑洞吸积物质(吃东西)发出的光判断其存在,观测到质量大于5倍太阳质量的致密天体等。

  事件视界望远镜(EHT)的观测对于科学研究有着非常重大的意义。天文学家们希望能够通过这一观测结果,对爱因斯坦的广义相对论做出最为严格的限制。与此同时,黑洞图像将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。

  首次“对视”天文界期待已久

  首张黑洞照片正在最后“冲洗”中。在它与大家正式见面前,我们不妨再回顾下,黑洞是什么?中科院紫金山天文台研究员韦大明接受本报记者采访时说,理论上,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体,它质量超大,且都集中在最中心的“奇点”处,但体积却很小,奇点在其周围会形成一个强大的引力场,即便是光也无法逃脱它的势力范围,这个势力范围就是科学界所说的“事件视界”。

  由于黑洞自身不发光,难以探测,所以过去的几十年间,天文科学家一直在用间接的方法证明它的存在。韦大明就是通过观测、研究伽马射线暴来间接证明黑洞的存在,这一次,人类直接“对视”黑洞,获得其影像,让他激动不已。“过去,通过观测到的许多现象,基本证实,在很多星系的中心,都存在超大质量的黑洞。”韦大明解释,尽管科学家没有看到黑洞的庐山真面目,但通过它吸积周围物质,释放的巨大能量,可以推断黑洞的存在。

  “当一个大质量恒星坍塌死亡时,黑洞将在加速辐射中通过一场猛烈的爆炸灰飞淹灭,在一瞬间辐射完剩余的所有能量,这在外界看来,就相当于一场小型的伽马射线暴。”

  以韦大明一直从事的研究为例,他一直在观察和记录“伽马射线暴”这一现象,并从理论上推断,这是由黑洞引起的。

  除了“伽马射线暴”外,间接证实黑洞存在的方式还有很多,天文科学家们将其分成了三大类,包括通过恒星、气体的运动推测黑洞的踪迹、根据黑洞吸积物质(吃东西)发出的光判断其存在、以及通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。然而无论哪一种,过去,我们证实黑洞的方式,都是间接和推算,韦大明表示,此次获得黑洞的影像,是人类首次直接证实黑洞的存在,无疑是一次极其重大的科学突破。

  此次“拍摄”是科学家们的一次实景“描绘”

  早在上个世纪在70年代,天文界就对黑洞的存在表现出极大的信心,90年代,中国天文学家也开始了对于黑洞的观测和研究。在中科院紫金山天文台研究员刘四明看来,人们对于黑洞的认知,也在这近30年里不断变得完善、清晰的,此次首次获得黑洞的照片,得益于多年来科学界的不懈积累,也归功于观测设备的提升。

  捕捉到黑洞影像的是事件视界望远镜(EHT),专家告诉我们这其实是个虚拟望远镜的概念。中科院上海天文台台长沈志强解释,人类首次“看到”黑洞,是全球天文学家并肩作战的结果,全球200多位天文科学家联合在一起,通过“甚长基线干涉技术”(VLBI)和全球多个射电天文台的协作,构建了一个口径达到上万公里的(也就是地球这么大的)望远镜,来观测同一个黑洞,并且利用其观测数据绘制出人类历史上第一张黑洞的照片。经过了两年的时间,这张照片才得以问世。

  事实上,此次的“拍摄”是科学家们的一次实景“描绘”,和大家想象的按个快门,咔嚓一下的成像并不一样。“这次所谓的拍摄,其实极大地依赖于天文界对于黑洞的认识。”刘四明向记者解释“拍摄”的原理,他说,黑洞在把光和物质吸收的同时也会把周围的物质加热到极高的温度,这些高温物质可以在很多频段上发射电磁波,虽然这些辐射并不在可见光的频率范围内,却可以被我们利用射电望远镜观测到。“利用对这些电磁波的观测,观测者可以获得和黑洞附近高温物质分布有关的一些物理量,再结合多年来不断完善的黑洞理论模型,通过模拟观测过程,模拟量可以和观测量比对,得到黑洞成像。”刘四明用通俗的话作了补充,“我们不睁开眼睛,如果用手摸一个物体,也可以摸出来一个物体的形状和硬度、光滑度等信息。”

  全球协作中有上海天文台参与,共同迈出认知宇宙的重要一步

  “从科学研究的历程来说,这次成果是必然的,从科普角度来看,这张照片的伟大在于,直接证实了黑洞的存在。”刘四明说,这一成果,可以说是整个天文科学的一件“喜事”。

  “事件视界望远镜”对黑洞人马座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:“上海天文台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米望远镜的观测运行。”

  多年来,科学家们提出了许多不同的理论,来猜测黑洞的外形。有的说像喷泉,有的说像甜甜圈……本质上来说,黑洞只是一个奇点——体积很小,却拥有着超大的质量。此次即将露面的黑洞学名是银河系中心超大质量黑洞人马座A*,其质量是太阳质量的400万倍,它的大小与水星轨道的大小相似,距离地球约26000光年。

  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。2017年,分布在全球六个地方的8个射电望远镜(阵):南极SPT、智利ALMA(阵)和APEX、墨西哥LMT、美国亚利桑那SMT、美国夏威夷JCMT和SMA(阵)和西班牙30米IRAM开始对黑洞人马座A*进行观测,捕捉黑洞周围环境的清晰图像。

  “由于这些望远镜的工作频率都在230GHz及以上,所以上海的43GHz低频率天马望远镜不在‘事件视界望远镜’之列。”沈志强说,不过,上海天马望远镜以另一种形式与此次黑洞观测事件“结缘”,它在“事件视界望远镜”观测前后开展了大量的22GHz和43GHz成图监测,共同构成了对该超大质量黑洞的多波段协同观测研究。

  黑洞的首张照片,是人类认知黑洞的重要一步,但也仅仅是个开始……未来,有关黑洞的更多谜团,还在等待人类“解锁”。“比如黑洞释放出的‘喷流’,我们一直没有弄清它的成因。”在刘四明看来,“看到”更远、更多的黑洞,增加对黑洞的了解,将有助于我们理解星系的演化、衍生,从而树立起更完整、更丰富的“宇宙观”。

  交汇点记者 王梦然 张宣

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编辑:顾志铭

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