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第一张黑洞照片正式公布!再次证明爱因斯坦是正确的

[ 录入者:zhangms | 时间:2019-04-13 10:48:00 | 作者: | 来源: | 浏览:1344次 ]

来源:DeepTech深科技

今天注定是天文学和物理学界的一个重要日子。有 6 场国际新闻发布会安排在了这一天,在这些发布会上,我们见证了人类有史以来所拍得的第一张黑洞照片的公布。

美国东部时间 4 月 10 日上午 9 时(北京时间 10 日 21 时),事件视界望远镜组织(Event Horizon Telescope Collaboration, 以下简称 EHT)在美国华盛顿,比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京等世界六地同步发布这张人类期待已久的照片。

发布的图片显示了黑洞转动产生的多普勒效应。

该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系 Messier 87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”,这个阴影告诉我们:爱因斯坦是正确的!

该图像的许多特征与爱因斯坦广义相对论的预言完全相一致,在强引力极端环境下进一步验证了广义相对论。中国科学院上海365体育彩票研究员袁峰在现场表示,现在看到的照片大体来说有两个部分,一部分是中心区域不太发光的阴影,另一部分是围绕这个阴影的发亮的圆环。圆环发的光就是从吸积盘上发出的,而黑色的阴影要比黑洞本身要大几倍,这证实了爱因斯坦广义相对论的预言。

第一次真正地凝视深渊

“黑洞是广义相对论预言了很多年的存在。目前,我们在理论上一直猜想黑洞是实际存在的,而且也在观测中取得了一些进展。但现在我们能够真正看到它的存在,这件事情非常值得期待的”。在发布会召开之前,DeepTech 联系了中国科学院国家365体育彩票研究员陈学雷,他在解读此次发布会意义时如此说道。

1915 年,广义相对论作为爱因斯坦提出的革命性理论之一问世。在这个理论中,爱因斯坦提出,物质会扭曲或弯曲时空的几何结构,人类以重力的形式感受到这种时空扭曲,而黑洞正是爱因斯坦理论的首批预测之一。

之后的百余年来,无数的影视作品、科幻小说将黑洞作为宇宙神秘、迷人、凶险的重要意象之一,把它带到普通大众的认识中,包括诺奖得主基普·索恩和已故物理学家霍金在内,他们都曾专门著书阐述黑洞的奇幻场景。

图丨一部法国电视纪录片视频中的黑洞影像,包括了多普勒失真和不对称效果(来源:JA MARCK / J。-P。LUMINET)

但它始终都像是一个遥远外太空的“都市传说”,人类迎来了一批又一批黑洞存在的间接证据:附近恒星轨道的引力摆动、星际气体云的变化、气态射流喷出等等。一些超大质量黑洞隐藏在宇宙中各大星系的核心区域,但即使是爱因斯坦本人也不确定它们是否真的存在。

荷兰拉德堡德大学的射电天文学家 Heino Falcke 曾如此评价黑洞:“它们是空间和时间的终点,可能也代表着人类知识的最终极限。”

而第一幅真正的黑洞影像,将掀开笼罩黑洞的第一层“面纱”,使其从原本神秘的东西转变成人类可以学习的实体,其中最值得期待的部分可能是这张图片对于广义相对论的验证。发布会之前,人们就期待这张事件视界的图片能够用以检验黑洞物理学的基础理论,比如测量事件视界的形状和大小,能帮助验证很多天文和物理上与黑洞有关的理论。此外,天体物理学家还希望 EHT 的数据能够帮助他们解释黑洞两边以接近光的速度喷出巨大的物质流(喷流)。

图丨电影《星际穿越》的黑洞 Gargantua,由伦敦的视觉特效公司 Double Negative 制作(来源:London。 AF ARCHIVE/ALAMY STOCK PHOTO)

我们都知道,黑洞是宇宙中一种质量异常大的特殊天体,质量可达太阳的几百亿倍。它是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后,发生引力坍缩而形成。它巨大的质量,产生了巨大的引力,以至于任何接近黑洞的物体都无法逃脱它的引力。就连传播速度最快的光也无法逃逸出来。

黑洞会吸收所有的电磁辐射,这意味着无论是我们用来接收来自天体的无线电波的射电望远镜,还是探测地球大气层以外的源所发射的 X 射线、并将其分辨为一个图像的 X 射线望远镜,用于收集可见光的,便于目视观测、拍摄的光学望远镜,甚至用运行于地球低轨道的、进行大面积巡天以研究天文物理或宇宙论现象的费米伽玛射线太空望远镜,都无法真正探究黑洞的模样。

图丨 Nature 此前发布的预计第一张黑洞图片(来源:Nature)

在黑洞的周围,是一个无法侦测的事件视界 (event horizon)。它是光得以逃离黑洞的最近距离,所以事件视界之内是无法被侦测到的,有如漆黑一片,故名黑洞。事件视界的存在,使黑洞无法被直接观测。不过,黑洞周围却有着一圈可被观测的物质。这些物质围绕黑洞高速旋转,形成了一个圆盘,天文学家称它为吸积盘(accretion disk)。

(来源:Sunshine Lighthouse)

吸积盘是黑洞的光环,这个明亮的环中间漆黑一片,听起来并不像土星光环那样和谐美丽。而且如果我们去观察吸积盘,会发现它被扭曲了。这是因为黑洞对光线有很强的弯折能力,位于黑洞背面的吸积盘发出的光,也会绕到前面来被我们看到。

虽然我们无法看到黑洞内部,但如果黑洞的后面有明亮的背景,我们却可以看到黑洞吸收形成的影子,看上去正是“黑洞洞”的。黑洞附近超高温气体可以发出波长约为毫米级的无线电波,可以穿透星系中的气体并抵达地球。

陈学雷则对 DeepTech 表示,这张图片可以帮助了解黑洞周围以及黑洞本身的信息,比如它的质量、自旋和它对周围的影响等。而在验证广义相对论上,“如果预测不完全一致的话,我们可以期待是不是有更深层的理论能够解释其中一些不一致的现象。在广义相对论提出之后,科学家们也产生了很多修改的理论,和此前的一些理论相比更复杂一些,通过这次观测,我们可以观察实际的情况会不会有所不同”。另外,他还提到,除了验证广义相对论以外,其他的物理理论,如经典相对论,也可以得到检验。如果再考虑到量子力学,我们还需要用原子级别的照片去检验模型,当然,这就需要非常高精度的照片才能实现。

图丨根据广义相对论,太阳会弯曲时空使行星绕着它运行,中子星会使时空弯曲更厉害,而一个黑洞则会在时空中制造一个深坑,即使是光都无法逃脱(来源:JAMES PROVOST)

除了照片上的信息外,团队收集到的原始数据可能还有其他的研究价值。“就像是淘金,发布的照片就像是最后从沙子里淘出来的金子。当然,这些原始数据可能还有一些其他的价值,可能后续有人能继续从中淘出新的金子来”,陈学雷说。

简而言之,在这浩瀚的时间长河中,每一次新的宇宙发现,都让人类感受到自己的渺小。而黑洞中是绝对的死亡还是永生,在今后的漫漫长路中揭晓。随着这张照片的诞生,人类又拥有了更多的机会检验那些曾经被认为“不可检验的”的理论,继续凝视宇宙和生命的深渊。

Mission Impossible:我们需要一个与地球等大的望远镜

和此前 LIGO 探测引力波类似,这张可能是今年最重要科学发现的照片诞生背后,也有一个庞大且出色的全球化科研团队以及强大的大科学装置,并耗费了 2 年的时间才最终问世。

2016 年,天文学家们发起了一项名为“视界望远镜(EHT, Event Horizon Telescope)”的国际观测项目。EHT 动用了位于世界各地的 8 个独立射电望远镜,这些望远镜组成了前所未有的大型望远镜阵列,包括亚毫米波望远镜(SMT);IRAM 30 米望远镜;APEX 望远镜;James Clerk Maxwell 望远镜(JCMT);大毫米波望远镜(LMT);次毫米波阵列望远镜(Submillimeter Array,SMA);阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA);以及南极望远镜(SPT)。

图丨 事件视界望远镜是由全球八大望远镜组成(来源:APEX, IRAM, G。 Narayanan, J。 McMahon, JCMT/JAC, S。 Hostler, D。 Harvey, ESO/C。 Malin)

在 VLBI 技术(甚长基线干涉测量)的帮助下,8 个望远镜模拟出了一个地球大小的巨型望远镜,达到了它的最佳分辨率:20 个微角秒,用来观测黑洞还刚刚够,但是得到的图像十分模糊。

EHT 于 2017 年 4 月首次全面运行,并且在那一次的运行中就取得了全部的黑洞数据。期间,8 台射电望远镜对准了一个位于银河系中心的超大质量黑洞人马座 A*(Sagittarius A*),以及一个 M87 星系中心的黑洞。其中,人马座 A*位于银河系的中心,质量约为太阳质量的四百万倍;另一个更大的黑洞是处女座星系的 M87 黑洞(Messier 87),质量是太阳质量的 70 亿倍。

尽管它们都十分巨大,在 EHT 的照片上却很小。据一位在 EHT 工作的天文学家说,人马座 A*黑洞的大小大约是 50 个微角秒(角度单位)的宽度。一个微角秒大概是从月球上看地球上一篇文章末尾的句号的大小。

最终,EHT 对两个黑洞总共观测了约 5 个夜晚,产生了 4PB 的数据(转换成 MP3 格式需播放 8000 年才能听完)。采集的数据量如此之大,这也是为什么时隔两年后大众才有机会一睹黑洞的全貌的原因。

在照片问世的过程中,不同的望远镜要对各自采集的数据进行时间和相位的重新矫正,以实现多个数据的同步。这本身就是一项繁琐的工作,而数据的后期处理更加耗费精力。如此巨量的数据,网络带宽不够传输,研究人员转而将数据拷贝到硬盘上,通过快递硬盘实体来交换数据,这竟然成为了比网络传输更快的方式。

(来源:J。 A。 MARCK/J。-P。 LUMINET)

因此,团队在过去两年里不断地分析、校准和关联数据。在巴黎365体育彩票工作、专注于黑洞可视化研究的法国天文学家 Jean-Pierre Luminet 在 Science 的采访中也表示,黑洞“可视化”的难点在于要将一个本身在定义上就不可见的物体“实体化”。他在此前曾多年从事包括为影视作品用计算机模拟黑洞的专业黑洞可视化工作。

运输不便,加上巨量的分析任务,让这个宇宙中的鬼魅时隔两年才与世人相见。

但在研究过程中,研究团队的成员们对此充满信心。在一次 TED 演讲中,EHT 研究人员、来自麻省理工学院的凯蒂·伯曼曾如此介绍她的感受——“在项目开始时我没有任何天文学背景知识,但团队通过这一独特合作所达成的成就,可让世界上第一幅黑洞照片诞生”。

图丨凯蒂·伯曼(来源:TED)

据她介绍,团队要观察的黑洞离地球太过遥远。“从地球上看,它非常、非常小——大概就和月球上的一个橘子一样大。这导致给它拍照变得无比艰难……我们可以轻易得出所需的望远镜的大小:就和整个地球一样大”。

但是,建造一个地球大小的射电望远镜是不可能的。她选择相信米克·贾格尔的一句名言——“你不可能永远得到你想要的东西,不过有时候你试一下,说不定正好找到你需要的东西。”

正如我们所见,后来,EHT 选择将遍布全世界的望远镜连接起来,团队中的计算机学家们则开发出特别的图片算法,基于望远镜提供的散乱而充满干扰的数据,生成最终的图片。

凯蒂·伯曼认为,像 EHT 这样的项目能够成功,正是不同学科的研究人员用各自的专业知识一起创造的结果。

“我们是一个由天文学家、物理学家、数学家和工程学家构成的大熔炉。这就是我们能够很快达成一个看起来不可能达成的成就的原因……在此,我想鼓励你们所有人,走出去,推动科学的边际,尽管刚开始它可能看起来和一个黑洞一样神秘”,她说。

图丨 1610 年 1 月 7 日,伽利略用自制的望远镜发现了围绕着木星的四颗卫星。大约 400 年过去,我们观察宇宙的“眼睛”和“视野”正在走向极限。

Tags:EHT   黑洞     照片   广义相对论

责任编辑:zhangms

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