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什么?人類首張黑洞照片有可能看不清?!
關(guān)鍵字: 黑洞本文專家:吳學(xué)兵,北京大學(xué)天文學(xué)系系主任,教授
先平復(fù)一下激動(dòng)的心情,北京時(shí)間今天晚上21:00,首張黑洞照片即將面世!
是的,是首張,此前人類基本都是間接“看到”黑洞,這次則直接“拍”了下來!
這事到底有多大?
這么說吧,今晚全球六地同時(shí)召開新聞發(fā)布會(huì)(比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國(guó)上海和臺(tái)北、日本東京以及美國(guó)華盛頓),同步發(fā)布!這有可能是今年最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。
在上海,EHT項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院將發(fā)布這一重大成果。
據(jù)媒體報(bào)道,全球一共60多個(gè)研究機(jī)構(gòu)參與了研究,其中包括中國(guó)科學(xué)院下屬的上海天文臺(tái)、云南天文臺(tái)等機(jī)構(gòu),以及華中科技大學(xué)、南京大學(xué)、中山大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)等高校。這也是中國(guó)上海和臺(tái)北兩地聯(lián)合舉辦新聞發(fā)布會(huì)的原因。
時(shí)間
北京時(shí)間2019年4月10日21點(diǎn)整
地點(diǎn)
中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)
黑洞是什么?宇宙中真的有黑洞嗎?黑洞的照片會(huì)是什么樣子?下面我們一一揭曉。
黑洞是什么?
自上世紀(jì)中期開始,人們對(duì)黑洞的探秘就從未停止過。
200多年前,英國(guó)的米歇爾和法國(guó)的拉普拉斯就曾提出: 一個(gè)質(zhì)量足夠大但體積足夠小的恒星會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力,以致連光線都不能從其表面逃走,因此這顆星是完全“黑”的,但這一推論隨后被人遺忘。
1915年愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論不久,德國(guó)數(shù)學(xué)家史瓦西得到了靜態(tài)球?qū)ΨQ情況下愛因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)解,解在一個(gè)特殊半徑(后稱史瓦西半徑)處存在奇異性。
M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞的模擬圖像。中間的黑色區(qū)域是黑洞的剪影。| 圖片來源:Jason Dexter (左) and Kazunori Akiyama (右)
1939年美國(guó)物理學(xué)家奧本海默等也證明確實(shí)存在一個(gè)時(shí)間-空間區(qū)域,光也不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者。這一區(qū)域的邊界稱為視界,在靜態(tài)球?qū)ΨQ情況下,視界半徑就是史瓦西半徑。如果某天體的半徑小于史瓦西半徑,那么該天體就應(yīng)該是“黑”的,無法被我們看到。
科學(xué)家們把這些引力極強(qiáng)而又“看不到”的特殊天體稱為“黑洞”。因此,黑洞也是愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的一種產(chǎn)物。
宇宙中的黑洞是怎么被發(fā)現(xiàn)的?
他們發(fā)現(xiàn)在一些被X射線望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的雙星(由一個(gè)致密星和另一個(gè)正常恒星組成)中,致密星的質(zhì)量比中子星的質(zhì)量上限(約為3倍太陽(yáng)質(zhì)量)還大,但半徑卻差不多,因此認(rèn)為這些引力極強(qiáng)的致密星只能是黑洞。
目前在銀河系中已發(fā)現(xiàn)20多個(gè)黑洞X射線雙星,它們的黑洞質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的5到20倍。
黑洞剪影的模擬圖像:廣義相對(duì)論預(yù)言剪影是圓形的(中),其他理論則預(yù)言了不同的形狀(左、右)。| 圖片來源:D. Psaltis and A. Broderick
最近幾年,地面激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO) 已宣布已探測(cè)到11對(duì)雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波,這些黑洞的質(zhì)量都是幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
天文學(xué)家通常把這些質(zhì)量為幾個(gè)到一百個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞叫恒星級(jí)黑洞。
二次世界大戰(zhàn)后,雷達(dá)技術(shù)廣泛用于射電天文,許多宇宙射電源被發(fā)現(xiàn)。這些射電源的光學(xué)像有的看起來很像恒星,但光譜觀測(cè)顯示它們本質(zhì)上不是恒星,而是譜線有巨大紅移的銀河系外遙遠(yuǎn)天體。
這些被稱為“類星體”的活動(dòng)星系核能輻射出比銀河系高成千上萬倍的能量,其發(fā)光原理不能用核反應(yīng)來解釋。
科學(xué)家們認(rèn)為類星體的能源來自于其中心質(zhì)量極大的黑洞吸積周圍物質(zhì)所釋放出的巨大引力能↓
圖1:類星體中心超大質(zhì)量黑洞及吸積盤、噴流示意圖 | 圖片來源:NASA/Goddard Space Flight Center
后來的觀測(cè)表明像我們銀河系這樣的正常星系中心也存在質(zhì)量在百萬太陽(yáng)質(zhì)量以上的黑洞,只是因?yàn)檫@些正常星系中心的黑洞周圍沒有多少可供吞噬的物質(zhì),所以其表現(xiàn)不如類星體中心的黑洞“活躍”,無法釋放像類星體那樣巨大的能量。
天文學(xué)家把類星體和星系中心質(zhì)量在百萬到百億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞叫超大質(zhì)量黑洞。
那么宇宙中是否存在介于恒星級(jí)黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間、質(zhì)量為幾百到幾十萬倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞呢?天文學(xué)家雖然在一些近鄰星系的極亮X射線源中似乎已找到中等質(zhì)量黑洞存在的跡象,但還需更多的觀測(cè)予以證實(shí)。
黑洞照片會(huì)是什么樣子?
雖然天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了眾多的恒星級(jí)黑洞和超大質(zhì)量黑洞,但都是通過黑洞強(qiáng)大的引力對(duì)周圍物質(zhì)和恒星的影響而間接探測(cè)到的。
宇宙中的黑洞自身雖然是不發(fā)光的(霍金輻射在天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的黑洞中太弱,可忽略不計(jì)),但因?yàn)楹诙床皇枪铝⒌?,它們?duì)周圍物質(zhì)和恒星的影響可產(chǎn)生豐富的觀測(cè)現(xiàn)象讓天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們,并測(cè)量出其最重要的物理參數(shù)-質(zhì)量。在少數(shù)情況下,天文學(xué)家甚至還可利用觀測(cè)結(jié)果測(cè)量出一些黑洞的自轉(zhuǎn)。
但至今還缺乏對(duì)黑洞的直接探測(cè)和成像。黑洞最主要的特點(diǎn)是存在事件視界,大小為史瓦西半徑。
恒星級(jí)黑洞系統(tǒng)示意圖 | 圖片來源:http://www.uux.cn/viewnews-9278-page-1.html
對(duì)質(zhì)量為幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的銀河系內(nèi)恒星級(jí)黑洞而言,史瓦西半徑只有幾十公里,而這些黑洞距離我們都有上萬光年(1光年約為9.5萬億公里)之遙,事件視界的大小相對(duì)于距離實(shí)在太小了,所以完全無法探測(cè)。最可能對(duì)其事件視界直接成像的黑洞是離我們很近的兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞,即人馬座方向銀河系中心和室女座方向射電星系M87中心的黑洞。
銀河系中心黑洞Sgr A*質(zhì)量約為4百萬太陽(yáng)質(zhì)量,距離我們2.5萬光年,事件視界半徑約1.2千萬公里。射電星系M87中心黑洞質(zhì)量為60億太陽(yáng)質(zhì)量,距離我們5千萬光年,事件視界半徑約180億公里。
要對(duì)這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的事件視界附近照像,望遠(yuǎn)鏡的分辨率需要達(dá)到十個(gè)微角秒(一微角秒為百萬分之一角秒)左右,這相當(dāng)于要分辨出月亮上的一個(gè)乒乓球,對(duì)于人類是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)!著名的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的分辨率也只有0.05角秒。
但天文學(xué)家還是想出了辦法,他們利用分布在全球幾大洲的8個(gè)毫米波望遠(yuǎn)鏡組成干涉陣列(即事件視界望遠(yuǎn)鏡EHT),陣列的基線長(zhǎng)度和地球大小相當(dāng),角分辨率可達(dá)幾十微角秒,因此具備對(duì)銀河系中心黑洞和射電星系M87中心黑洞視界面附近區(qū)域進(jìn)行成像的能力。
那么,事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的黑洞照片究竟會(huì)是什么樣子呢?
圖三:望遠(yuǎn)鏡在全球分布示意圖,紅點(diǎn)代表望遠(yuǎn)鏡所在地丨圖片來源:http://m.sohu.com/a/133852929_376569
首先,黑洞自身是不發(fā)光的,我們看到的發(fā)光實(shí)際都來自于事件視界外面的物質(zhì),并不來自于黑洞本身,但黑洞的存在會(huì)在照片上留下“陰影”。其次,由于黑洞強(qiáng)引力導(dǎo)致的相對(duì)論效應(yīng),如光線彎曲、引力紅移等,會(huì)導(dǎo)致黑洞周圍物質(zhì)發(fā)光的不對(duì)稱和扭曲。
此外,事件視界外面的“環(huán)境”并不完全干凈,塵埃、氣體、磁場(chǎng)、噴流等因素都會(huì)對(duì)事件視界外物質(zhì)的發(fā)光產(chǎn)生影響。而且,事件視界望遠(yuǎn)鏡的分辨率畢竟還是有限的,圖像的測(cè)量和重構(gòu)過程也很復(fù)雜↓
事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)團(tuán)隊(duì)模擬的黑洞附近照片及其測(cè)量和重構(gòu)過程 | 圖片來源:https://eventhorizontelescope.org/science
因此,盡管我們對(duì)事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的首張黑洞照片非常期待,但如果最終看到公布的照片不那么美觀和清晰(比如像上圖右邊的樣子),也請(qǐng)大家不必感到意外。
萬事開頭難!今后大家看到的黑洞照片肯定會(huì)比現(xiàn)在更精彩。
標(biāo)簽 黑洞- 原標(biāo)題:什么?人類首張黑洞照片有可能看不清?!
- 責(zé)任編輯:何書睿
- 最后更新: 2019-04-11 07:46:27
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