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黑洞到底長啥樣?再等三天,首張黑洞照片即將亮相!

http://finance.sina.com   2019年04月07日 17:18   北京新浪網

  來源:新民科學咖啡館

  首張黑洞照片要來啦!

  北京時間4月10日21時整,全球六地(比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和中國臺北、日本東京和美國華盛頓)將以英語、西班牙語、漢語和日語四種語言,通過協調召開全球新聞發佈會,事件視界望遠鏡(EHT)宣佈一項重大成果,與超大質量黑洞的照片有關。在上海,EHT項目和中國科學院將發佈這一重大成果。

 來源:視覺中國 來源:視覺中國

  黑洞到底長啥樣呢?

  理論上,黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體。它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力範圍,該勢力範圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界(event horizon)。

  宇宙中,根據質量天文學家們將宇宙中的黑洞分成三類:恆星級質量黑洞(幾十倍-上百倍太陽質量)、超大質量黑洞(幾百萬倍太陽質量以上)和中等質量黑洞(介於兩者之間)。

  黑洞的名字,乍一聽,黑的洞,那是不是表明沒法看見;如果沒法看見,那怎麼就知道它存在呢?在這次拍照前,天文學家們是通過各種間接的證據來表明黑洞的存在,主要有三類代表性證據。

  第一,恆星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力,對周圍的恆星、氣體會產生影響,於是我們可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。

  第二,根據黑洞吸積物質(吃東西)發出的光來判斷黑洞的存在。

  第三,通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。

  還有很多類似的證據,無不說明了黑洞真實存在。但這還是間接的,我們想直接“看”到黑洞。

  EHT組織將地球多地的望遠鏡組合成一個望遠鏡網絡,這些望遠鏡協同工作,記錄下製作黑洞圖像所必需的信息。

  EHT負責人謝潑德·多爾曼(Sheperd Doeleman)說:“首先你得擁有超高的放大倍數,好比你身在紐約,也能夠清楚細數遠在洛杉磯的一個高爾夫球上的凹洞。”

  隨後你還要有辦法讓視線穿透瀰漫在銀河系中的氣體以及圍繞在黑洞周邊的高溫氣體。要達到這一目標,需要有一個與地球體積相當的巨型望遠鏡才行。

  根據多爾曼的講述,EHT團隊將全球多座天文望遠鏡連接起來,創建了一個“虛擬的地球大小的望遠鏡”。團隊將分散在世界各地的射電望遠鏡同步,使它們同時觀測宇宙中的某個方位,並將所觀測到的無線電波記錄在硬盤中。

  咖啡師曾於2017年5月2日獨家報道了上海科學家參與此次黑洞的“拍攝”歷程,一起來回顧下吧!

  地球人合力“拍攝”的第一張宇宙黑洞“照片”,好了嗎?答案是:“拍攝”出人意料的順利,“出品”尚需耐心等待。參與此次國際聯合觀測項目的中科院上海天文臺副臺長、研究員沈志強今天向本報透露,“事件視界望遠鏡”對銀河系中心超大質量黑洞人馬座A*的首度“拍照”,已順利完成全部“拍攝”,接下來還需要相當長的一段時間完成複雜的數據分析,距離真正的“照片成像”時間還早。雖因觀測頻率不同,上海的天馬望遠鏡不是“事件視界望遠鏡”的成員之一,但它以另一種形式與此次黑洞觀測事件“結緣”。

  爲什麼要給黑洞“拍照”?

  截至4月11日,‘事件視界望遠鏡’就已順利完成了對銀河系中心超大質量黑洞人馬座A*預定的5次觀測(或者說是拍攝),觀測非常成功,特別幸運的是,觀測期間,分佈在全球各地的8面射電望遠鏡(陣)所在地的天氣都出奇的好。”沈志強告訴記者,接下來的數據分析工作還是需要時間的。

  據沈志強介紹,“事件視界望遠鏡”是由國際上可以工作在230GHz或更高頻率的亞毫米波射電望遠鏡所組成的VLBI(甚長基線干涉)陣列,目前包括分佈在全球六個地方的8個射電望遠鏡(陣):南極的SPT、智利的ALMA(陣)和APEX、墨西哥的LMT、美國亞利桑那的SMT、美國夏威夷的JCMT和SMA(陣)和西班牙的30米IRAM。天馬望遠鏡的最高工作頻率是43GHz,因此不在“事件視界望遠鏡”之列。“但是,天馬望遠鏡與日韓射電望遠鏡組成的東亞VLBI網在此次‘事件視界望遠鏡’觀測前後開展了大量的22GHz和43GHz成圖監測,就目前已完成的觀測來看,天馬望遠鏡的作用非常明顯。這些觀測與其它的地面紅外、空間X射線和伽瑪射線衛星同期的觀測,共同構成了對該超大質量黑洞的多波段協同觀測研究。”可見,在“事件視界望遠鏡”潛心爲黑洞“拍照”時,天馬望遠鏡也對黑洞投去了專心致志的凝視,使人們又對黑洞多了一分了解。

  黑洞居然可以被“看見”?

  黑洞一旦形成,就會在周圍形成一個界面,這個界面被稱作“事件視界”(event horizon),也就是此次望遠鏡的名字。中科院上海天文臺左文文博士解釋說,它就像一堵無形的牆將內部被高度扭曲的時空和外界時空隔離開,該界面以內的物質都無法逃離,即使光也不例外。

  那麼,給黑洞“拍照”究竟是拍什麼呢?答案:黑洞的“陰影”。2000年,天文學家們基於廣義相對論下的光線追蹤程序,首次模擬出銀河系中心黑洞人馬座A*在無線電波段上“看”起來的樣子。根據其模擬結果,天空平面會被一個名爲黑洞“視邊界”的圓環一分爲二。一邊是在視邊界圓環以內的光子,只要在視界面以外就能逃離黑洞,但受到很強的引力作用,亮度低;一邊是在視邊界圓環以外的光子,能繞着黑洞繞轉多圈,積累的亮度足夠高。於是,我們就會看到在視邊界內側的亮度明顯更弱環。

  我們在一步步逼近黑洞

  “事件視界望遠鏡”對銀心超大質量黑洞人馬座A*的首度“拍照”,是一項大規模的國際合作研究,目前世界上該領域的幾乎所有研究人員,都不同程度地參與其中。沈志強透露:“我們也參與了事件視界望遠鏡之一的位於夏威夷莫納克亞山上的東亞天文臺15米望遠鏡(JCMT)的觀測運行。”

  位於銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*,一直是黑洞研究的最佳對象,因爲它是從地球上望去最大的黑洞。早在2005年,沈志強領銜的國際天文研究小組,首次將黑洞人馬座A* “鎖定”在1.5億公里直徑的區域內。他相信,“人們正一步步逼近銀河系中心的超大質量黑洞。”

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