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人類首張黑洞照片面世在即 天文學家為你科普黑洞

2019-04-10 15:10:46 中國新聞網

  人類首張黑洞照片面世在即 天文學家為你科普黑洞

  中新網上海4月10日電 (記者 孫自法)北京時間4月10日21點,全球六地(比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京、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布會,事件視界望遠鏡(EHT)將宣布一項與超大質量黑洞照片有關的重大成果。在上海,EHT項目和中國科學院將在中科院上海天文臺共同發布這一重大成果。

  黑洞是什么?為什么要給黑洞拍照?什么樣的望遠鏡可以對黑洞成像?給黑洞拍照難在哪里?……在備受矚目的黑洞照片揭開神秘面紗前夕,參與EHT項目的中科院上海天文臺向媒體提供了一系列黑洞相關科普知識——

  1. 給黑洞拍照,是要拍一張怎樣照片?天文學家期望拍一張怎樣照片?

  廣義相對論預言,由于黑洞的存在,我們將會看到中心區域存在一個由于黑洞視界而形成的陰影(shadow),其周圍環繞一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環,由于黑洞的自旋及與觀測者視線方向的不同,光環的大小約為4.8-5.2倍史瓦西半徑(注:史瓦西半徑指沒有自旋的黑洞的事件視界半徑)。

  其中一種理論模型預言的銀心的黑洞陰影以及周圍環繞的新月狀光環。圖片來源:路如森/中科院上海天文臺

  2. 為什么要給黑洞拍照?

  對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺”證據。黑洞具有強引力,因此給黑洞拍照,最重要的目的是在強引力場的極端環境下驗證愛因斯坦的廣義相對論,并同時細致研究黑洞周圍的物質吸積和噴流的形成及傳播。

  3. 什么樣的黑洞適合拍照?

  黑洞陰影和周圍環繞的新月般光環非常非常小,在拍照設備能力有限的情況下,要想拍攝到黑洞的照片,毫無疑問要找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為對象。

  由于黑洞事件視界的大小與其質量成正比,這也就意味著質量越大,其事件視界越大,因此近鄰的超大質量黑洞是完美的黑洞成像候選體。位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A* 和近鄰射電星系M87的中心黑洞M87* 是兩個目前已知最優的候選體。

  銀河系中心黑洞的史瓦西半徑約為10微角秒,其黑洞陰影的角直徑大小相應為47-50微角秒, 這相當于一個蘋果在月球上的角直徑大小(月球的角直徑是30角分)。M87中心的超大質量黑洞(M87*)的黑洞陰影看起來要比銀心的黑洞陰影略小,約為37-40微角秒。

  HST拍攝的M87,圖片版權:NASA

  4. 什么樣的望遠鏡可以對黑洞成像?

  要對黑洞成像,必須要保證望遠鏡足夠靈敏,能分辨的細節足夠小,從而能保證看得到和看得清。滿足這些條件,最好的工具莫過于1967年出現的甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技術(值得一提的是,該VLBI技術也成功應用于中國嫦娥探月工程的探測器的測定位)。假定在1毫米波長觀測,一個長度為1萬千米的基線能獲得約21微角秒的分辨本領。

  不過,大家可千萬別以為,只要VLBI陣列的分辨率足夠高,就一定能成功給黑洞拍照。因為,情況沒那么簡單。如同觀看電視節目必須選對頻道一樣,對黑洞成像而言,能夠在合適的波段進行VLBI觀測至關重要。觀測黑洞視界的最佳波段在1毫米附近。

  5. 此次拍照使用的視界望遠鏡(EHT)是一臺什么樣的望遠鏡?

  為了捕獲第一張黑洞圖像,全球超過200名科學家達成了EHT這一重大國際合作計劃。EHT觀測所利用的技術就是毫米波VLBI,目前其工作波段在1.3mm,并且將有望擴展到更短的0.8mm。

  EHT合作者們在2017年4月份到多個世界上最高、最偏僻的射電天文臺,以一種愛因斯坦永遠也不會想到的方式去檢驗廣義相對論。參與此次觀測的包括位于世界6個地點的8個臺站(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目前由東亞天文臺負責運營,是中國大陸及臺灣地區、韓國以及日本的共同合作項目。

  2017年4月份參加EHT觀測的8個臺站,實線連接的為觀測M87的7個臺站,虛線連接的為觀測一個校準源(3C279)的臺站。圖片來源:“First M87 Event Horizon Telescope Results I: The Shadow of the Supermassive Black Hole”。

  6. 給黑洞拍照,難在哪里?

  一是要選擇合適的拍照對象——近鄰的超大質量黑洞是完美的黑洞成像候選體;二是要共同合作組成一個超級大望遠鏡——視界望遠鏡(EHT):三是必須在合適的觀測波段——毫米波;四是面對VLBI所記錄的龐大數據量,進行復雜的數據后期處理和分析,獲取最終的黑洞圖像。據介紹,2017年4月份的EHT觀測中每個臺站的數據率達到驚人的32Gbit/s, 8個臺站在5天觀測期間共記錄約3500TB數據。天文學家打比方說,這么多數據如果是電影的話,至少要幾百年才能看完。

  7. 黑洞是什么?

  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范圍,該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界(event horizon)。

  宇宙中,天文學家們根據質量將宇宙中的黑洞分成三類:恒星級質量黑洞(幾十倍至上百倍太陽質量)、超大質量黑洞(幾百萬倍太陽質量以上)和中等質量黑洞(介于前兩者之間)。

  致密天體根據質量的分類,圖片來源:NASA

  8.為什么要研究黑洞?

  黑洞就在宇宙中,黑洞自身有一堆讓人著迷的秘密,等著人類去研究。第一,在人類居住的銀河系中中心就有一個超大質量黑洞,它的質量大約400多萬倍太陽質量;第二,這顆超大質量黑洞會影響人類的生活嗎?第三,銀河系中除了這個超大質量黑洞外,還有很多恒星級黑洞,它們和人類有關系嗎?第四,黑洞和它所在的星系之間究竟有什么關系,這也是天文學家非常關心的領域。

  遙遠宇宙中擁有巨大黑洞的類星體示意圖(圖片制作人:李兆聿。背景圖片來源于NASA/JPL-Caltech和Misti Mountain Observatory) 

  9. 如何確認黑洞的存在?真的有黑洞嗎?

  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,那怎么就知道它存在呢?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,恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力,對周圍的恒星、氣體會產生影響,于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(類似于“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。但這些還是間接的證據,人類還想直接“看”到黑洞,于是,通過全球科學家的廣泛合作和持續努力,終于直接拍到即將問世的首張黑洞照片。

  銀心附近恒星的運動截圖,圖片來源:Keck/UCLA Galactic Center Group

  中國科學家在視界望遠鏡(EHT)項目中有哪些參與?視界望遠鏡未來還會有怎樣的成果值得期待?當然,如果你想知道更多(EHT)項目情況,更多了解人類首張黑洞照片詳情,就請耐心等待并關注幾小時后舉行的全球同步發布會。(完)

(編輯:熊家麗)
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