世界首张黑洞照片公布

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北京时间2019年4月10日晚9点,黑洞事件视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)合作组织协调召开全球六地联合新闻发布会,宣布人类首次利用一个口径如地球大小的虚拟射电望远镜,在近邻巨椭圆星系M87的中心成功捕获世界上首张黑洞图像

世界首张黑洞照片公布

黑洞到底长什么样?

在2019年4月10日之前,没有人知道确切的答案。

科幻电影里经常喜欢描绘黑洞,并给出自己的想法。近年来最出名的一部与黑洞相关的电影莫过于2014年上映的《星际穿越》,它让观众们“亲眼”看到了黑洞的样子。

这个名叫“卡冈图雅”的黑洞由黑色天区与明亮光环构成,相对论物理学家基普·索恩为影片设计了这个黑洞形象。2015年2月,该影片相关的可视化黑洞论文发表在期刊《Classical and Quantum Gravity》上,一定程度代表了学界对黑洞外观的看法。

世界首张黑洞照片公布

《星际穿越》中的黑洞“卡冈图雅”

然而,你可以想象吗?《星际穿越》上映五年后,人类居然真的可以看到黑洞的真容了!身为有史以来第一批“看见”黑洞的本届人类,小编真的很开心啊!

北京时间2019年4月10日晚间,事件视界望远镜(EHT)宣布了超大质量黑洞的照片。真实的黑洞是长这个样子的:

世界首张黑洞照片公布

超大质量黑洞M87中心的影像

黑洞与广义相对论

一百多年前,爱因斯坦提出广义相对论,将时间和空间结合为一个四维的时空,并提出引力可视为时空的扭曲。这一理论做出了不少重要预言,其中之一便是:当一个物体的质量不断塌缩,就能隐蔽在事件视界(event horizon) 之内——在这一黑洞的“势力范围”内,引力强大到连光都无法逃脱。

对于广义相对论的验证,可以追溯到一个世纪以前。1919年5月29日,Arthur Eddington等人在日全食期间对太阳附近光线偏折的实验测量(图2) ,拉开了上世纪验证广义相对论的序幕,并把爱因斯坦推上了科学的“神坛”。

世界首张黑洞照片公布

图2. 1919年5月29日的日食期间,在西属几内亚的普林西比岛和巴西北部的索布拉尔两地首次利用星光偏折验证广义相对论示意图。

一个世纪以来,广义相对论经受住了接连不断的实验验证,黑洞的存在也已得到越来越多天文观测的佐证。

目前,天文学家普遍相信黑洞确实存在于宇宙之中,从质量为数倍到数十倍于太阳的恒星级黑洞,到高达数百万倍甚至数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞,应有尽有。而且,超大质量黑洞存在于几乎所有星系的中心。

然而,即使在LIGO/Virgo探测到引力波、从而权威性地证明黑洞存在的今天,人类还是没有直接看到能够揭秘极端条件下时空秘密的那个“洞”——“黑洞事件视界”。

这或许正是黑洞本身的迷人之处所造成的——黑洞的致密程度让人难以想象!如果把地球压缩成一个黑洞,它的大小和一个汤圆差不多;而一个位于距离地球1kpc(约3262光年)处,10倍于太阳质量的恒星级黑洞,其事件视界的角直径大小只有0.4纳角秒。这比哈勃望远镜的分辨率还要小约1亿倍,任何现有的天文观测手段都没有这样的分辨本领!

这次拍的是哪个洞?

黑洞一向在宇宙间神秘莫测。

这个连光线都无法逃脱其视界的物体,被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)描述其为“不可思议的天体”。它由一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小、热量无限大的奇点,加上周围一部分空空如也的天区组成,吞噬着临近宇宙区域的所有光线与物质。

世界首张黑洞照片公布

其中,黑洞的几乎所有质量都集中在奇点上,它也是黑洞强大引力场的中心。奇点周围的天区存在一个临界半径,被称为“视界面”。在这个半径内,就是黑洞的“势力范围”。

当前质量天文学家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)
中等质量黑洞(介于两者之间)

本次被拍照的就是黑洞界的“大块头”——超大质量黑洞。

不过问题来了,拍照的前提是找到拍照对象。在这个连光线都能吞噬掉的怪物面前,如何才能确定它的位置呢?

据介绍,在这次拍照前,天文学家们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:一是恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹,因为黑洞的强引力会对周围的恒星、气体会产生影响;二是根据黑洞吸积物质(相当于“吃东西”)发出的光来判断黑洞的存在;三是通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。

据了解,视界面望远镜此次观测目标主要有两个,一是银河系中心黑洞Sgr A*,二是位于星系M87中的黑洞。之所以选定这两个黑洞作为观测目标,是因为它们的视界面在地球上看来足够大。其它黑洞因为距离地球更远或质量大小有限,观测的难度更大。

其中,Sgr A*黑洞的质量相当于400万个太阳,所对应的视界面尺寸约为2400万公里,相当于17个太阳的大小。M87中心黑洞的质量则竟然达到60亿个太阳质量,视界范围大约是冥王星轨道的三倍。

拍摄黑洞的正确姿势

确定好位置后,如何进行拍照呢?

据了解,本次拍到黑洞照片的EHT,是通过“甚长基线干涉技术”(VLBI)和全球多个射电天文台的协作,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜——事件视界望远镜。

“拍照并非拍的是可见光波长范围,而是EHT接收黑洞辐射,以此描述黑洞的外形。”一位中科院研究物理学的朋友说的。

而要看清楚黑洞视界面的细节,望远镜的空间分辨率需要足够高,甚至需要高到哈勃望远镜的1000倍以上。此时“干涉技术”就登场了。

所谓“干涉技术”,是指利用多个位于不同地方的望远镜,在同一时间联合观测,最后将数据进行相关系分析后合并。这种情况下,望远镜的

分辨率取自望远镜之间的距离,而非单个望远镜的口径大小。

据了解,此次为黑洞拍照的EHT由8个全球射电望远镜构成,其分辨率相当于一部口径为地球直径大小的射电望远镜分辨率。它们分别是:
l 南极望远镜(South Pole Telescope);
l 位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);
l 位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜(Atacama Pathfinder Experiment);
l 位于墨西哥的大型毫米波望远镜(Large Millimeter Telescope);
l 位于美国亚利桑那州的(Submillimeter Telescope);
l 位于夏威夷的麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);
l 位于夏威夷的亚毫米波望远镜(Submillimeter Array);
l 位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜。

世界首张黑洞照片公布

图5. 2017年4月份参加EHT观测的8个VLBI台站,实线连接的为观测M87的5个地点(7个台站;由于位置限制,位于南极的SPT望远镜无法观测到M87),虚线连接的为观测一个校准源(3C279)的台站。

从2018年起,又有格陵兰岛望远镜、位于法国的IRAM NOEMA天文台和位于美国的基特峰国立天文台加入后续研究和校准工作。

另外,据中国科学院大学天文学教授苟利军介绍,其实本次照片拍摄在2017年4月5日至14日之间就已经完成。但由于此次视界面望远镜跨越南北半球,所涉站点区域非常广阔,因此要处理的数据量也异常庞大。

他透露,视界面望远镜每一个晚上所产生数据量可达2 PB (1 PB=1000 TB=1000000 GB),“和欧洲大型质子对撞机一年产生的数据量差不多“。因此,黑洞的“洗照片”过程一直延续至今,直到今晚照片才公之于众。

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