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人类首张黑洞照片面世在即 天文学家为你科普黑洞
2019年04月11日 12:03   来源:中国新闻网  

  中新网上海4月10日电 (记者 孙自法)北京时间4月10日21点,全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿)将以英语、西班牙语、?#27827;?#21644;日语四种语言,通过协调召开全球新闻发布会,事件视界望远镜(EHT)将宣?#23478;?#39033;与超大质量黑洞照片有关的重大成果。在上海,EHT项目和中国科学院将在中科院上海天文台共同发布这一重大成果。

  黑洞是什么?为什么要给黑洞拍照?什么样的望远镜可以对黑洞?#19978;瘢?#32473;黑洞拍照难在哪里?……在?#29976;?#30633;?#24247;?#40657;洞照片揭开神秘面纱前夕,参与EHT项?#24247;?#20013;科院上海天文台向媒体提供了一系列黑洞相关科普知识——

  1. 给黑洞拍照,是要拍一张怎样照片?天文学家期望拍一张怎样照片?

  广义相?#26376;?#39044;言,由于黑洞的存在,我们将会看到中心区域存在一个由于黑洞视界而形成的阴影(shadow),其周围环绕一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环,由于黑洞的自旋及与观测者视线方向的不同,光环的大小约为4.8-5.2倍史瓦西半径(注:史瓦西半径指没有自旋的黑洞的事件视界半径)。

 

  其中一种理论模型预言的银心的黑洞阴影以及周围环?#39057;?#26032;月状光环。图片来源:路如森/中科院上海天文台

  2. 为什么要给黑洞拍照?

  对黑洞阴影的?#19978;?#23558;能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞具有强引力,因此给黑洞拍照,最重要的?#24247;?#26159;在强引力场的极端环境下验证爱因?#22266;?#30340;广义相?#26376;郟?#24182;同时细致研究黑洞周围的物质吸积?#22242;?#27969;的形成及传播。

  3. 什么样的黑洞适合拍照?

  黑洞阴影和周围环?#39057;?#26032;月般光环非常非常小,在拍照设备能力有限的情况下,要想拍摄到黑洞的照片,毫无疑问要找到一个看起来角?#26412;?#36275;够大的黑洞作为对象。

  由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比,这也就意味着质量越大,其事件视界越大,因此近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞?#19978;?#20505;选体。位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A* 和近邻射电星系M87的中心黑洞M87* 是两个目前已知最优的候选体。

  银河系中心黑洞的史瓦西半?#23545;?#20026;10微角秒,其黑洞阴影的角?#26412;洞?#23567;相应为47-50微角秒, 这相当于一个苹果在月球上的角?#26412;洞?#23567;(月球的角?#26412;?#26159;30角分)。M87中心的超大质量黑洞(M87*)的黑洞阴影看起来要比银心的黑洞阴影略小,约为37-40微角秒。

 

  HST拍摄的M87,图片版权:NASA

  4. 什么样的望远镜可以对黑洞?#19978;瘢?/p>

  要对黑洞?#19978;瘢?#24517;须要保证望远镜足够灵敏,能分辨?#21335;?#33410;足够小,从而能保证看得到和看?#20204;濉?#28385;足这些条件,最好的工具莫过于1967年出现的甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技术(值得一提的是,该VLBI技术也成功应用于中国嫦娥探月工程的探测器的测定位)。假定在1毫米波长观测,一个长度为1万千米的基线能获得约21微角秒的分辨本领。

  不过,大家可千万别以为,只要VLBI阵列的分辨?#39318;?#22815;高,就一定能成功给黑洞拍照。因为,情况没那么简单。如同观看电视节目必须选?#20113;?#36947;一样,对黑洞?#19978;?#32780;言,能够在合适的波段进行VLBI观测至关重要。观测黑洞视界的最佳波段在1毫米附近。

  5. 此?#38395;?#29031;使用的视界望远镜(EHT)是一台什么样的望远镜?

  为了捕获第一张黑洞图像,全球超过200名科学家达成了EHT这一重大国际合作?#33529;HT观测所利用的技术就是毫米波VLBI,目前其工作波段在1.3mm,并?#21307;?#26377;望扩展到更短的0.8mm。

  EHT合作者们在2017年4月份到多个世界上最高、最偏僻的射电天文台,以一种爱因?#22266;?#27704;远也不会想到的方式去检验广义相?#26376;邸?#21442;与此次观测的包括位于世界6个地点的8个台站(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目前由东亚天文台负责运营,是中国大陆及台湾地区、韩国以及日本的共同合作项目。

 

  2017年4月份参加EHT观测的8个台站,实线连接的为观测M87的7个台站,虚线连接的为观测一个校准源(3C279)的台站。图片来源:“First M87 Event Horizon Telescope Results I: The Shadow of the Supermassive Black Hole”。

  6. 给黑洞拍照,难在哪里?

  一是要选择合适的拍照对象——近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞?#19978;?#20505;选体;二是要共同合作组成一个超?#27934;?#26395;远镜——视界望远镜(EHT):三是必须在合适的观测波段——毫米波;四是面对VLBI所记录的庞大数据量,进行复杂的数据后期处理和分析,获取最终的黑洞图像。据介绍,2017年4月份的EHT观测中每个台?#38236;?#25968;据率达到惊人的32Gbit/s, 8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据。天文学家打比方说,这么多数据如果是电影的话,?#36797;?#35201;几百年?#25293;?#30475;完。

  7. 黑洞是什么?

  理论上,黑洞是爱因?#22266;?#24191;义相?#26376;?#39044;?#28304;?#22312;的一种天体,它具有的超强引力使得光?#21442;?#27861;逃脱它的势力范围,该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界(event horizon)。

  宇宙中,天文学家们根据质量将宇宙中的黑洞分成三类?#27721;?#26143;级质量黑洞(?#29976;?#20493;至上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于前两者之间)。

 

  致密天体根据质?#24247;?#20998;类,图片来源:NASA

  8.为什么要研究黑洞?

  黑洞就在宇宙中,黑洞自身有一堆让人着迷的秘密,等着人类去研究。第一,在人类居住的银河系中中心就有一个超大质量黑洞,它的质量大约400多万倍太阳质量;第二,这颗超大质量黑洞会影响人类的生活吗?#24247;?#19977;,银河系中除?#33487;?#20010;超大质量黑洞外,还有很多恒星级黑洞,它们和人类有关系吗?#24247;?#22235;,黑洞和它所在的星系之间究竟有什么关系,这也是天文学家非常关心的领域。

 

  遥远宇宙中拥有巨大黑洞的类星体示意图(图片制作人:李兆聿。背景图片来源于NASA/JPL-Caltech和Misti Mountain Observatory) 

  9. 如何确认黑洞的存在?真的有黑洞吗?

  黑洞的名字,乍一听,黑的洞,那是不是表明没法看见;如果没法看见,那怎么就知道它存在呢?在这?#38395;?#29031;前,天文学家们是通过各种间接的证据来表明黑洞的存在,主要有三类代表性证据。

  第一,恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力,对周围的恒星、气体会产生影响,于是我们可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。

  第二,根据黑洞吸积物质(类似于“吃东西”)发出的光来判断黑洞的存在。

  第三,通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。

  还有很多类?#39057;?#35777;据,无不?#24471;?#20102;黑洞真实存在。但这些还是间接的证据,人类还想直接“看”到黑洞,于是,通过全球科学家的广?#27721;?#20316;和?#20013;?#21162;力,终于直接拍到即将问世的首张黑洞照片。

 

  银心附近恒星的运动截图,图片来源:Keck/UCLA Galactic Center Group

  中国科学家在视界望远镜(EHT)项目中有哪些参与?视界望远镜未来还会有怎样的成果值得期待?#24247;比唬?#22914;果你想知道更多(EHT)项目情况,更多了解人类首张黑洞照片详情,就请耐心等待并关注几小时后举行的全球同步发布会。(完)

注:请在转载文章内容时务必注明出处!   编辑?#21644;?#20025;沁

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