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这个“甜甜圈”就是黑洞了

来源:新华社  2019-04-11 09:11:51


北京时间4月10日21时许,人类首张黑洞照片于在全球多地同步发布。事件视界望远镜(EHT)宣布成功获得第一个超大黑洞直接视觉证据。

出乎意料的是,此次发布的并不是之前认为的半人马座A*黑洞,而是EHT项目观测的另一个目标——位于室女座星系团中超大质量星系M87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。

“我们捕获到了黑洞的首张照片”,来自哈佛—史密松天体物理中心的EHT项目主任多尔曼说,“这是一项由200多位科研人员组成的团队完成的非凡科研成果。”

这张照片展示了一个中央部分黑暗的新月结构。明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘,而黑洞的事件视界,位于中心的黑色内——这与科学家通过理论模拟的影像很符合(见右图,新华社发)。

“观测结果与理论预言非常一致,这证实在黑洞这样的极端条件下,广义相对论仍然成立。”中国科学院上海天文台台长沈志强说。

●距离地球5500万光年

●质量为太阳的65亿倍

●位于室女座星系团中超大质量星系M87中心

▶爱因斯坦的理论再次得到证实

会形成一个类似阴影的黑暗区域

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,该势力范围称作事件视界(event horizon)。多年来,天文学家们只能通过间接证据来证明黑洞的存在。由于黑洞引力强大到光都无法逃脱,就算最顶尖的科学家也不曾目睹它的真容。

连光线都无法逃脱,我们如何看到“黑洞”?事实上,当黑洞“吞食”其他天体时,吸入的物质在掉入视界面前会产生一个围绕黑洞旋转的吸积盘。当气体朝着黑洞落下被加热到数十亿度高温时,会发出强烈的辐射,让事件视界看起来像“剪影”。

“如此一来,黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,我们期望着黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域。这正是爱因斯坦广义相对论所预言的,可我们以前从未见过。”EHT科学委员会主席、来自荷兰奈梅亨大学的海诺·法尔克解释。“这个暗影的形成,源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获。暗影揭示了黑洞这类迷人天体的很多本质,也使得我们能够测量M87黑洞的巨大质量。”

多次独立的EHT观测通过多个校准以及不同的成像方法均揭示了一个环状的结构及其中心的暗弱区域,即黑洞阴影。“令人惊讶的是,我们所观测到图像的许多特征与理论预言相匹配”,EHT董事会成员贺曾朴评论道,“这使得我们对观测的理论解释,包括对黑洞质量的测量,都充满信心。”

▶“地球级”望远镜

如在巴黎的咖啡馆阅读纽约的报纸  创建EHT是一项艰巨的挑战,需要升级和连接部署8个现有的射电望远镜来组成全球网络,而这些望远镜分布在各种具有挑战性的高海拔地区,包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州的山脉、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠以及南极点。

上海天文台研究员路如森表示,“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。”EHT观测使用了甚长基线干涉测量(VLBI)技术,观测波段是1.3毫米。世界各地的射电望远镜同步观测,同时利用地球自转,形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜,达到的分辨率约20微角秒,足以在巴黎的一家路边咖啡馆阅读纽约的报纸。

为了得到清晰的图像,必须保证无线电信号到达每个望远镜的时间极其精确——EHT利用原子钟来确保记录的稳定性。

观测期间记录的数据量也是海量。一次普通的5天观测期间,每座望远镜会搜集约500TB的数据,整个数组产生的数据约7PB(等于7000TB),将装满1000至2000个硬盘。这么多的数据已经不可能靠网络传递,EHT用最原始,也是最可靠的办法——把硬盘用飞机运到美国麻省理工学院海斯塔克天文台以及德国马普射电天文研究所进行处理。

在那里,超级计算机矫正光波抵达不同望远镜的时间差,并把所有数据集成。这些经过校准的资料被用来合成黑洞照片。

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。以2017年4月的观测为例,8个台站在5天观测期间共记录约3500TB的数据。专家表示,如果是像看电影一样不间断地看,这些数据至少需要500多年才能看完。

▶国际科学合作典范

中国是重要参与者

EHT的建设和今天宣布的观测结果源于数十年观测、技术和理论工作的坚持和积累。这与来自世界各地的研究人员的密切合作是分不开的,是全球团队合作的典范。

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作出了贡献。

中科院上海天文台牵头组织协调国内学者参与了此次EHT项目合作。

“对M87中心黑洞的顺利成像绝不是EHT国际合作的终点。”沈志强说。“我们期望也相信在不久的将来EHT会有更多令人兴奋的结果。”

“过去一二十年间,中国在射电天体物理学、天文学等领域取得了巨大进展,在此次国际合作中做出了不可或缺的贡献。”海诺·法尔克也表示,随着中国的射电干涉测量和太空探索能力迅速增长,中国将成为国际科学合作的重要参与者。

德国马普射电天文研究所所长安东·岑苏斯则强调,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。

科普

“事件视界”和“事件视界望远镜”

——探寻黑洞的蛛丝马迹

在黑洞周围,光线不能逃脱的临界范围被称为黑洞的半径或“事件视界”。对这个特殊区域,人类动用口径相当于地球直径的“虚拟望远镜”,探寻黑洞留下的种种“蛛丝马迹”。

根据著名理论物理学家霍金的理论,黑洞“事件视界”并非“有去无来”的单行车道。尽管物体一旦被吸入黑洞就会永远消失,但如果经过数十亿年的时间,黑洞可能会“渗出”一些被吸入物质的蛛丝马迹。

由于黑洞非常遥远且半径很小,以往设施没有足够的分辨率来直接观测黑洞,而是用观察周围恒星运动、吸积盘和喷流乃至引力波等间接方法来进行探测。

为了提高望远镜空间分辨率,来自全球多个国家30多个研究所的200多名科研人员开展了一项庞大的观测计划,他们将分布在全球不同地区的多个射电望远镜组成一个阵列进行联合观测,这就相当于获得了一个口径宛如地球大小的巨型望远镜,这就是“事件视界望远镜”项目。

“事件视界望远镜”实际上尝试观测的是黑洞的“事件视界”。经数年精心准备,“事件视界望远镜”项目的国际科研团队通力合作,借助分布在世界多地的8个射电望远镜联合观测,再经过近两年的数据处理及理论分析,终于成功获得第一张黑洞照片。

专家们说,黑洞照片将帮助我们了解为何黑洞能对宇宙中的天体产生深刻影响。

■相关

黑洞照片的看点“具有历史性意义”

两百多年前,就有科研人员设想宇宙中存在一种质量巨大、引力强到连光也无法逃脱的天体。爱因斯坦在一百多年前提出的广义相对论,可用于计算出这种天体的若干性质。但黑洞作为一个科学术语,直到20世纪60年代才由美国天体物理学家约翰·惠勒提出。

几十年来,黑洞引发人们无数遐想,但没有人知道它的真正模样。正因为这个,第一张黑洞照片才备受期待,被誉为“非凡的科研成果”,是天文学上的“重要里程碑”,“具有历史性意义”。

给黑洞拍照的“事件视界望远镜”项目科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克告诉新华社记者,黑洞涉及人类对宇宙的根本了解,“我们的宇宙中有两大理论,爱因斯坦的相对论描述了宏观,量子力学描述了微观,但是在黑洞的边缘,相对论与量子力学无法协调,在那里可能会发现新的东西”。

美国亚利桑那大学天文学副教授丹尼尔·马罗内认为,黑洞之所以重要,是因为它在长时间尺度上会影响宇宙演化。但人们并没有完全了解黑洞如何吞噬物质,然后又将其中一部分以接近光速向外喷射,影响其所在星系。黑洞照片不仅将为广义相对论提供新信息,也有助于了解黑洞喷流的形成过程。

1919年,人们在非洲和南美出现日食时观测到光线的弯曲,从而验证了广义相对论相关预言的正确性。百年后发布的黑洞照片,又一次支持广义相对论。不由让人想起被多次重复的那句话:爱因斯坦又对了。

“上一代人不可能做到的事”

由于光线无法逃出黑洞,科研人员要拍的实际上是黑洞产生的“阴影”以及周围的吸积盘等,从而描绘出黑洞的轮廓。此次拍照的一个目标是代号为M87的超巨椭圆星系中心黑洞,它的质量是太阳的65亿倍,但离我们实在太远,达到5500万光年。

要拍摄这么远的对象,科学家模拟出口径像地球一样大的望远镜,这就是“事件视界望远镜”,它集合了分布在全球各地的多个射电望远镜。从智利阿塔卡马沙漠到南极冰原,从西班牙的高山到夏威夷的海岛,8个射电望远镜通过“甚长基线干涉测量技术”联合起来,成功拍到人类历史上第一张黑洞照片。

谈及给黑洞拍照的难度,安东·岑苏斯打比方说:“如果地球是平的,那使用这一技术可以从波恩看清纽约街头报纸上的字。”

经大约两年的数据处理及理论分析,照片才成功“冲洗”出来。照片展示了一个中心黑色的明亮环状结构,有点像甜甜圈,也与此前科幻电影《星际穿越》科学顾问根据相对论等模拟的黑洞图片相似。“事件视界望远镜”项目专家认为,与理论预测一致,这也证明拍到的就是黑洞。

“我们已经完成了上一代人认为不可能做到的事情,”项目主任、美国哈佛-史密森天体物理学中心的谢泼德·杜勒曼总结说,“技术的突破、世界上最好的射电望远镜之间的合作、创新的算法都汇聚到一起,打开了一个了解黑洞的全新窗口。”

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