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人类首张黑洞照片面世在即 天文学家为你科普黑洞

发布日期:2019-04-12  来源:

  上海4月10日电 (记者 孙自法)北京时间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、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)将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果。在上海,EHT项目和中国科学院将在中科院上海天文台共同发布这一重大成果。

  黑洞是什么?为什么要给黑洞拍照?什么样的望远镜可以对黑洞成像?给黑洞拍照难在哪里?……在备受瞩目的黑洞照片揭开神秘面纱前夕,参与EHT项目的中科院上海天文台向媒体提供了一系列黑洞相关科普知识——

  

  广义相对论预言,由于黑洞的存在,我们将会看到中心区域存在一个由于黑洞视界而形成的阴影(shadow),其周围环绕一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环,由于黑洞的自旋及与观测者视线方向的不同,光环的大小约为4.8-5.2倍史瓦西半径(注:史瓦西半径指没有自旋的黑洞的事件视界半径)。

  其中一种理论模型预言的银心的黑洞阴影以及周围环绕的新月状光环。图片来源:路如森/中科院上海天文台

  

  对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞具有强引力,因此给黑洞拍照,最重要的目的是在强引力场的极端环境下验证爱因斯坦的广义相对论,并同时细致研究黑洞周围的物质吸积和喷流的形成及传播。

  

  黑洞阴影和周围环绕的新月般光环非常非常小,在拍照设备能力有限的情况下,要想拍摄到黑洞的照片,毫无疑问要找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为对象。

  由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比,这也就意味着质量越大,其事件视界越大,因此近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体。位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A* 和近邻射电星系M87的中心黑洞M87* 是两个目前已知最优的候选体。

  银河系中心黑洞的史瓦西半径约为10微角秒,其黑洞阴影的角直径大小相应为47-50微角秒, 这相当于一个苹果在月球上的角直径大小(月球的角直径是30角分)。M87中心的超大质量黑洞(M87*)的黑洞阴影看起来要比银心的黑洞阴影略小,约为37-40微角秒。

  HST拍摄的M87,图片版权:NASA

  

  要对黑洞成像,必须要保证望远镜足够灵敏,能分辨的细节足够小,从而能保证看得到和看得清。满足这些条件,最好的工具莫过于1967年出现的甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技术(值得一提的是,该VLBI技术也成功应用于中国嫦娥探月工程的探测器的测定位)。假定在1毫米波长观测,一个长度为1万千米的基线能获得约21微角秒的分辨本领。

  不过,大家可千万别以为,只要VLBI阵列的分辨率足够高,就一定能成功给黑洞拍照。因为,情况没那么简单。如同观看电视节目必须选对频道一样,对黑洞成像而言,能够在合适的波段进行VLBI观测至关重要。观测黑洞视界的最佳波段在1毫米附近。

  

  为了捕获第一张黑洞图像,全球超过200名科学家达成了EHT这一重大国际合作计划。EHT观测所利用的技术就是毫米波VLBI,目前其工作波段在1.3mm,并且将有望扩展到更短的0.8mm。

  EHT合作者们在2017年4月份到多个世界上最高、最偏僻的射电天文台,以一种爱因斯坦永远也不会想到的方式去检验广义相对论。参与此次观测的包括位于世界6个地点的8个台站(Atacama Pathfinder Experiment, APEX; Atacama Large Millimeter/ submillimeter Array, ALMA; IRAM 30-meter Telescope; South Pole Telescope, SPT; James Clark Maxwell Telescope, JCMT; Large Millimeter Telescope, LMT; Submillimter Array, SMA; Submillimeter Telescope, SMT)。其中,JCMT目前由东亚天文台负责运营,是中国大陆及台湾地区、韩国以及日本的共同合作项目。

  2017年4月份参加EHT观测的8个台站,实线连接的为观测M87的7个台站,虚线连接的为观测一个校准源(3C279)的台站。图片来源:“First M87 Event Horizon Telescope Results I: The Shadow of the Supermassive Black Hole”。

  

  一是要选择合适的拍照对象——近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体;二是要共同合作组成一个超级大望远镜——视界望远镜(EHT):三是必须在合适的观测波段——毫米波;四是面对VLBI所记录的庞大数据量,进行复杂的数据后期处理和分析,获取最终的黑洞图像。据介绍,2017年4月份的EHT观测中每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s, 8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据。天文学家打比方说,这么多数据如果是电影的话,至少要几百年才能看完。

  

  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,天文学家们根据质量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(介于前两者之间)。

  致密天体根据质量的分类,图片来源:NASA

  

  黑洞就在宇宙中,黑洞自身有一堆让人着迷的秘密,等着人类去研究。第一,在人类居住的银河系中中心就有一个超大质量黑洞,它的质量大约400多万倍太阳质量;第二,这颗超大质量黑洞会影响人类的生活吗?第三,银河系中除了这个超大质量黑洞外,还有很多恒星级黑洞,它们和人类有关系吗?第四,黑洞和它所在的星系之间究竟有什么关系,这也是天文学家非常关心的领域。

  遥远宇宙中拥有巨大黑洞的类星体示意图(图片制作人:李兆聿。背景图片来源于NASA/JPL-Caltech和Misti Mountain Observatory) 

  

  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(类似于“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。但这些还是间接的证据,人类还想直接“看”到黑洞,于是,通过全球科学家的广泛合作和持续努力,终于直接拍到即将问世的首张黑洞照片。

  银心附近恒星的运动截图,图片来源:Keck/UCLA Galactic Center Group

  中国科学家在视界望远镜(EHT)项目中有哪些参与?视界望远镜未来还会有怎样的成果值得期待?当然,如果你想知道更多(EHT)项目情况,更多了解人类首张黑洞照片详情,就请耐心等待并关注几小时后举行的全球同步发布会。(完)

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