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首張黑洞照片今晚公布,預習資料拿走不謝

2019-04-10 17:00 來源: 我要評論0 字號:
【導讀】 人類歷史上首張黑洞照片今晚揭曉。美國東部時間10日9時(北京時間10日21時),在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京將同時召開新聞發布會,以英語、漢語、西班牙語、丹麥語和日語發布“事件視界望遠鏡”的第一項重大成果。

  人類歷史上首張黑洞照片今晚揭曉。美國東部時間10日9時(北京時間10日21時),在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京將同時召開新聞發布會,以英語、漢語、西班牙語、丹麥語和日語發布“事件視界望遠鏡”的第一項重大成果。


  讀者們在搬好小板凳坐等“吃瓜”的同時,不妨先快速預習一下與這項黑洞研究有關的背景資料。


電影星際穿越當中的黑洞,周圍的亮環是由氣體構成的吸積盤(圖片來源:電影《星際穿越》)


  問:什么是黑洞?

  答:根據愛因斯坦引力場方程的計算,如果大量物質集中于空間一點,奇點周圍會形成時空扭曲的“視界”,一旦進入這個界面,連光子也無法逃逸。

  這個預測在1916年被提出來,不過,直到1967年,普林斯頓大學核物理學家約翰?惠勒才在一場講座里首次使用了“黑洞”(black hole)這個詞匯,并迅速流傳開來。


  問:既然看不見,怎么拍黑洞的照片?

  答:雖然科學家們看不到黑洞的本體,但可以一直追溯到光子消失的“視界”,這是我們能“看到”的極限。

  黑洞周圍的確會存在一些發光的現象,比如黑洞在吃掉周圍的恒星時,會將恒星的氣體撕扯到身邊,形成一個旋轉的吸積盤。黑洞有時候也會“打嗝”,一部分吸積氣體會沿轉動方向被拋射出去,形成噴流。

  吸積盤和噴流都會因氣體摩擦而產生明亮的光線,以及其他頻段的輻射。


  問:怎么尋找黑洞?

  答:科學家們可以通過黑洞對周圍天體的影響來間接地感受到它的存在,尤其是它巨大的引力造成的時空扭曲,就像可以通過月亮的繞行軌道和速度來間接推測地球的質量。

  其次,上文提到過吸積盤和噴流會產生發光現象,伴隨其他頻段的輻射。

  最后,黑洞與其他天體或另一個黑洞的相互作用會產生大量引力波,也是可探測的線索。


  問:有確認存在的黑洞嗎?

  答:有。人類探測到的第一例引力波信號,就是由雙黑洞并合產生的。

  人類發現的第一個強有力的黑洞候選天體是1964年發現的天鵝座X-1,距離地球約6000光年。天鵝座X-1有一個正在被它吃掉的“舞伴”,但伴星的質量卻比它本身更加大,引發了廣泛的爭議,其身份長期懸而不決,霍金都為此打過賭(并輸掉了)。科學家們后來測得天鵝座X-1的質量約為14.8個太陽,視界半徑300公里,應該是一個“胃口”非常小的黑洞。

  目前,科學家們更為關注的一類黑洞候選系統是軟X射線瞬變源。這類系統包含一個小質量的舞伴,通常處于寧靜態,但會出現間歇性的X射線爆發現象,間隔時間從數月到數十年不等。間歇性爆發的時候,就是探測黑洞的好時機。

  根據理論計算,銀河系中應該存在上千萬個恒星量級的黑洞,現在得到確認的只有20多個。


  問:這次拍到了哪個黑洞的照片?

  答:兩個超大質量黑洞。一個是銀河系中心黑洞Sgr A*,一個位于室女座的M87星系中心。之所以選擇這兩個目標,而不是銀河系中更近的恒星級黑洞,是因為它們的視界從地球上看足夠大。

  長久以來,科學家們就發現幾千億顆恒星圍繞著銀河系中心轉動,推測出那里存在一個超大質量的天體。根據計算,Sgr A*的質量大約相當于400萬個太陽,視界半徑約2400萬公里。聽起來足夠大,不過,鑒于銀河系中心黑洞遠在2.5萬光年(約24億億公里)之外,實際效果相當于在地球上觀察一顆放在月球上的橙子,或者在北京看清上海一顆高爾夫球上的小坑。

  M87中心的超大質量黑洞則達到了66億倍太陽質量,視界范圍大約是冥王星軌道的三倍。當然,因為距離更遠的緣故,M87中心黑洞在地球上看的實際效果與Sgr A*可能相差不大。


  問:怎么拍出分辨率這么高的照片?

  答:全球望遠鏡組成陣列,聯合觀測,形成一個有效口徑等于地球直徑的大望遠鏡。這個虛擬的大望遠鏡叫做“事件視界望遠鏡”(EHT),由8臺望遠鏡組成。分別是:南極望遠鏡(South Pole Telescope);位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);位于智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡(Atacama Pathfinder Experiment);墨西哥的大型毫米波望遠鏡(Large Millimeter Telescope);位于美國亞利桑那州的(Submillimeter Telescope);位于夏威夷的麥克斯韋望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);位于夏威夷的亞毫米波望遠鏡(Submillimeter Array);位于西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠鏡。它們在2017年4月對兩個黑洞目標進行了聯合觀測。

  從2018年起,又有格陵蘭島望遠鏡、位于法國的IRAM NOEMA天文臺和位于美國的基特峰國立天文臺加入后續的研究和校準工作。

  全球一共60多個研究機構參與了研究,其中包括中國科學院下屬的上海天文臺、云南天文臺等機構,以及華中科技大學、南京大學、中山大學、北京大學、中國科學院大學、臺灣大學等高校。這也是中國上海和臺北兩地聯合舉辦新聞發布會的原因。


  問:2017年拍的照片,為什么現在才公布?

  答:黑洞照片“拍”起來難,“洗”出來也難。虛擬的大望遠鏡陣列并非直接拍出了黑洞的圖像,而是給出了許多數據,必須經歷復雜的計算機處理過程。其中還有些缺失或模糊的部分,需要科學家們拼圖。

  此外,在2017年4月的聯合觀測以后,研究團隊還進行了一些數據收集和校準的工作。


作者:暫無
編輯:張偉偉
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