爱因斯坦预言获证 黑洞照片怎么拍的 ?

重庆晨报 2019年04月11日 09:24

  原标题:我们终于一睹黑洞真容 爱因斯坦,你又对了

  浩瀚星空中,黑洞是极神秘又惹人遐思的天体。

  它,“吞噬”一切,连光也无法逃脱。它,体积小、质量大,可以弯曲周围的时空。它的“前世今生”带着重重谜团,让人好奇无比。

  人类史上首张黑洞照片面世!北京时间10日晚9时许,包括中国在内,全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容。这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点“捕获”的视觉证据,有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。

  首次“看到”黑洞

  爱因斯坦的广义相对论说对了

  百余年来,人类探寻黑洞奥秘的脚步从未停歇。

  从爱因斯坦的广义相对论率先预言黑洞的存在,到惠勒提出“黑洞”概念,再到霍金提出“黑洞是时空的扭曲者”……科学家们日益相信,宇宙中存在许多大小不一的黑洞,甚至在银河系的中心就有一个超大黑洞。

  多年来,一些间接证据陆续证实黑洞的存在,人类不断插上科幻翅膀勾画黑洞容颜。

  科幻电影也在不断“幻想”黑洞影像。在电影《星际穿越》中,黑洞“卡冈图雅”是那深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆圈。

  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!

  “这是人类获得关于黑洞的第一个直接视觉证据,证实了爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。”参与国际合作的中方科学家、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。

  上海天文台研究员路如森难掩兴奋:“黑洞的暗影区域和光环,相当于打开一扇窗,未来可以更好地重构黑洞‘吞噬’的物理过程,深入了解这个过程中发生的奇异事件。”

  拍照难在哪儿?

  用全球8个观测点寻“至暗信号”

  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。

  要给黑洞拍照,依靠人类现有任何单个天文望远镜都远远不够。

  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。条件苛刻的观测点,包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。

  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。”路如森说。

  不同的望远镜各有所长。正是给黑洞拍照的这一特殊要求,让包括“中国天眼”在内的一些大型望远镜“束手旁观”。

  专家解释,这一波段的黑洞电磁波辐射最明亮,而背景“噪音”的干扰又最小。

  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。

  跻身世界一流

  中国成国际科学合作重要参与者

  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。

  我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。

  沈志强说,基础科学研究的国际合作是大势所趋,但很多时候不能只靠经费投入“凑份子”,前期研究和人才积累是取得合作“话语权”的重要因素。

  从“中国天眼”(FAST)到“世界巨眼”(SKA),从人类基因组测序到泛第三极环境研究,近年来,中国参与国际合作的广度和深度不断加大,在吸收世界创新养分的同时,也不断贡献中国智慧。

  随着全球射电天文学方兴未艾,接连涌现类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射四大天文发现。近年来,我国陆续建成多座射电望远镜,口径从25米到65米再到500米,从追赶到并跑,天文学研究开始逐步跻身一流。

  黑洞的顺利成像不是终点。主持欧洲地区发布会的德国马克斯·普朗克射电天文研究所所长安东·岑苏斯强调,未来还将增加望远镜的数量,甚至对新的黑洞进行观测,继续验证广义相对论的有关预测,借此了解星系的形成和演进,为人类解开更多奥秘……

  简介

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  黑洞照片“主角”

  坐标:室女座一个巨椭圆星系M87的中心

  质量:为太阳的65亿倍

  距离:与地球相距约5500万光年

  形态:中心为黑色的明亮环状结构,看上去有点像甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“阴影”,明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘

  意义

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  这次发现直接证明黑洞的存在

  将进一步探索周围气体的运动

  对于这次发现的意义,中国科学院大学教授,国家天文台恒星级黑洞研究创新小组负责人苟利军认为,最直接的意义就在于人类第一次直接确认了黑洞的存在,“此前有很多间接证据证明黑洞的存在,但不排除还有一丝是其他星体的可能性,这次的发现就能直接说明黑洞的存在。”

  对于黑洞研究的下一步方向,苟利军认为,科学家可能会进一步提高黑洞照片的清晰度,“这样我们也可以去更进一步了解黑洞周围的环境。”此外,他认为,黑洞周围气体的运动也将是科学家进一步探索的方向之一。

  4问首张黑洞照片的拍摄

  释疑

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  1.既然看不见,怎么拍黑洞的照片?

  虽然科学家们看不到黑洞的本体,但可以一直追溯到光子消失的“视界”,这是我们能“看到”的极限。

  黑洞周围的确会存在一些发光的现象,比如黑洞在吃掉周围的恒星时,会将恒星的气体撕扯到身边,形成一个旋转的吸积盘。黑洞有时候也会“打嗝”,一部分吸积气体会沿转动方向被抛射出去,形成喷流。

  吸积盘和喷流都会因气体摩擦而产生明亮的光线,以及其他频段的辐射。

  2.怎么寻找黑洞?

  科学家们可以通过黑洞对周围天体的影响来间接地感受到它的存在,尤其是它巨大的引力造成的时空扭曲,就像可以通过月亮的绕行轨道和速度来间接推测地球的质量。

  其次,上文提到过吸积盘和喷流会产生发光现象,伴随其他频段的辐射。

  最后,黑洞与其他天体或另一个黑洞的相互作用会产生大量引力波,也是可探测的线索。

  3.怎么拍出分辨率这么高的照片?

  全球望远镜组成阵列,联合观测,形成一个有效口径等于地球直径的大望远镜。这个虚拟的大望远镜叫做“事件视界望远镜”(EHT),由8台望远镜组成。分别是:南极望远镜;位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵望远镜;位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜;墨西哥的大型毫米波望远镜;位于美国亚利桑那州的亚毫米波望远镜;位于夏威夷的麦克斯韦望远镜;位于夏威夷的亚毫米波望远镜;位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜。它们在2017年4月对两个黑洞目标进行了联合观测。

  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的研究和校准工作。

  全球一共60多个研究机构参与了研究,其中包括中国科学院下属的上海天文台、云南天文台等机构,以及华中科技大学、南京大学、中山大学、北京大学、中国科学院大学、台湾大学等高校。这也是中国上海和中国台北两地联合举办新闻发布会的原因。

  4.2017年拍的照片,为什么现在才公布?

  黑洞照片“拍”起来难,“洗”出来也难。虚拟的大望远镜阵列并非直接拍出了黑洞的图像,而是给出了许多数据,必须经历复杂的计算机处理过程。其中还有些缺失或模糊的部分,需要科学家们拼图。

  此外,在2017年4月的联合观测以后,研究团队还进行了一些数据收集和校准的工作。

  纵深

  黑洞其实不太黑,洞也不是那个洞?

  黑洞,这个恍若鬼魅的天体又开始侵袭我们的视野。它是在时间和空间中形成的“洞”,不断吞噬周围物质,增加自己的质量;它也是光子的“牢笼”;它贪得无厌,永不停息地吞噬着周围的一切……这是世人绘制的黑洞的经典图像:既霸蛮又贪吃。但真是如此吗?

  来者不拒?有些黑洞很“挑食”

  据物理学家组织网报道,一些黑洞是贪婪的贪食者,吸入大量气体和灰尘;而其他黑洞则很挑食。

  同样是超大质量黑洞,为什么“贪吃”的程度差别如此巨大?这一问题一直以来都是困扰天体物理学家的难题。

  中国科学院国家天文台研究员陆由俊解释说:“原因是不同星系核心的环境不一样。有的星系的中心由于受到诸如星系碰撞过程等的扰动,气体沉积到中心黑洞附近,为黑洞提供了丰富的食物,以至于它们可以大快朵颐;而有的星系中心区域则比较平稳,只有少量气体能够到达黑洞附近,使得黑洞不得不浅斟慢酌。”

  只可远观:会把人变成意大利面

  尽管人们对黑洞的热情高涨,但其只可远观而不可接近,否则,后果很严重。简单来说,如果你和黑洞靠得太近,你就会就像意大利面一样被拉长。这一现象有个极富创意的名字“意大利面条效应”。之所以会产生这种效应,是因为人体各处受到的引力大小不同。

  如果你两脚朝下飞向黑洞,由于你的脚离黑洞更近,它受到的引力将比头部受到的引力要大。更糟糕的是,由于胳膊并非位于身体中心,它们被拉长的方向会与头部的朝向稍有不同,你身体的边缘部位会被拉进身体里。最后的结果是,你的身体不仅被拉长了,而且还变细了。因此,还没等你(或其他物体)抵达黑洞中心,你就早早地变成了一根意大利面条。

  终极命运:或随时间蒸发殆尽

  1973年,霍金在弯曲时空量子场论的研究中发现原来“黑洞不黑”。原本经典理论上“一毛不拔”的黑洞在黑洞量子力学中也可以通过一定的机制发射黑体辐射,这就是霍金辐射。

  但我们又知道,任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来,黑洞怎么可能发射粒子呢?量子理论给我们的回答是,粒子不是从黑洞里面出来的,而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的“空虚的”空间来的。

  霍金在《时间简史》中解释称,“空虚的”的空间充满虚粒子反粒子对。它们被一同创生,相互离开,然后再回到一起并且湮灭。如果黑洞存在,带有负能量的虚粒子落到黑洞里可能会变成实粒子或者反实粒子。这种情形下,它不再需要和它的伴侣相互湮灭了。它被抛弃的伴侣可以落到黑洞中去。或者由于它具有正能量,也可以作为实粒子或反实粒子从黑洞的邻近逃走。

  而且,黑洞的质量越小,其温度就越高。这样,随着黑洞损失质量,它的温度和发射率增加,导致其质量损失得更快。因此,小质量的黑洞,霍金辐射强,它们很快就会蒸发掉,一个10-15克的黑洞被蒸发掉所需的时间与宇宙的年龄相仿。

  4、5版稿件据新华社、央视、科技日报等

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