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人类首次“看到”黑洞正面照

2019-04-11 07:23 来源:人民日报 本报记者 吴月辉

  首张黑洞照片。事件视界望远镜合作组织供图

  黑洞是广义相对论预言存在的一种天体,它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围,该势力范围称作事件视界。

  四大洲、8个观测点组成虚拟望远镜网络,让黑洞首次有了一张“正面照”。

  近年来,中国参与国际合作的广度和深度不断加大,在吸收世界创新养分的同时,也不断贡献中国智慧。

  大量天文观测数据已证实,浩瀚的宇宙当中,无数的黑洞神秘地藏身于各星系中。但人类却从未直接“看”到过黑洞真容。

  2017年4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们启动了一项雄心勃勃的庞大观测计划。他们将分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络。最终,科学家们成功拍摄到了黑洞的第一张“照片”。北京时间4月10日21时,这张“大片”在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京六地同时发布。

  4年前,两个黑洞合并产生的引力波信号被科学家“捕捉”到,成为科学界的一个里程碑事件,人类开始“听”到黑洞。这一次,人类终于眼见为实。

  有许多间接证据证明黑洞的存在,但科学家从未直接“看”到

  黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体,它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围,该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界。

  黑洞怎么形成的?像宇宙万物一样,恒星也会衰老死亡。一些大质量恒星在核聚变反应燃料耗尽时,内核会急剧塌缩,所有物质快速向着一个点坍缩,最终坍缩成一颗黄豆大小的奇点,并形成一个强大的力场漩涡,扭曲周围时空,成为黑洞。

  根据质量,天文学家将宇宙中的黑洞分成三类:恒星级质量黑洞(几十倍到上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。根据理论推算,银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞。然而,因为黑洞自身不发射和反射电磁波,仪器和肉眼都无法直接观测到它。

  既然无法“看见”,怎么知道它存在呢?天文学家们主要是通过各种间接的证据。一是恒星、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,可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。二是根据黑洞吸积物质,也就是“吃东西”时发出的光来判断黑洞的存在。第三则是通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。到目前为止,通过间接的观测,科学家们在银河系发现和确认了20多个恒星级质量黑洞,但可能有上千万个恒星级黑洞候选体。

  中国科学院上海天文台研究员沈志强说:“宇宙每个星系中心都有一个超大质量的黑洞。我们居住的银河系中心就有一颗,它的质量大约是太阳质量的400多万倍。除此之外,银河系还有很多恒星级黑洞。”

  黑洞和宇宙的诞生和演化有何关系?又和我们人类有什么关系?为了更准确清晰地解答这些问题,科学家们想直接“看”到黑洞。

  口径如地球大小的虚拟望远镜,灵敏度和分辨本领前所未有

  广义相对论预言,虽然黑洞本身不发光,但因为黑洞的存在,周围时空弯曲,气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中,引力能转化为光和热,因此气体被加热至数十亿摄氏度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,事件视界看起来就像阴影,阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。

  中国科学院上海天文台研究员路如森说:“对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接‘视觉’证据。这就必须要保证望远镜足够灵敏,能分辨的细节足够小,从而保证看得到和看得清。”

  但满足上述所有条件,望远镜的口径需要像地球大小。然而,目前地球上已有的单个望远镜最大口径也只有500米,远远不够用。怎么解决?

  一个难以想象的大科学计划诞生了:用分布全球的8个观测点,组成一个口径如地球直径大小的虚拟望远镜,其所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。条件苛刻的观测点,包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。

  全球超过200名科学家达成了“事件视界望远镜”(EHT)这一重大国际合作计划,决定利用甚长基线干涉测量技术。沈志强说:“就是利用多个位于不同地方的望远镜在同一时间进行联合观测,最后将数据进行相关性分析之后合并,这一技术在射电波段已相当成熟。”

  被拍照的黑洞质量超大,但因距离遥远,就像在地球上看放在月球表面的橙子

  在组建大型虚拟望远镜的同时,科学家们也在寻找着合适的拍摄目标。

  黑洞阴影和周围环绕的新月般光环非常小。在拍照设备能力有限的情况下,要想拍摄到黑洞照片,必须找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为目标。

  科学家们甄选之后,决定将近邻的两个黑洞作为主要目标:一个是位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*,另一个则是位于射电星系M87的中心黑洞M87*。此次照片“主角”正是M87中心的超大质量黑洞。

  沈志强说:“由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比,这也意味着质量越大,其事件视界越大。我们选定的这两个黑洞质量都超级大,它们的事件视界在地球上看起来也是最大的,可以说是目前最优的成像候选体。”

  尽管被选择的两个黑洞已是最优成像候选体,但要清晰为它拍照,难度还是极其大。Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳,所对应的视界面尺寸约为2400万公里,相当于17个太阳的大小。然而,地球与Sgr A*相距2.5万光年之遥。“这就意味着,它巨大的视界面在我们看来,大概只有针尖那么小,就像我们站在地球上去观看一个放在月球表面的橙子。”沈志强说。

  M87中心黑洞的质量更为巨大,达到了60亿个太阳质量。尽管M87中心黑洞与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远,但因质量庞大,所以它的事件视界对科学家们而言,可能跟Sgr A*大小差不多,甚至还要稍微大一点。

  要想看清楚两个黑洞事件视界的细节,事件视界望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。要多高呢?路如森说:“比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上。”但也别以为,只要虚拟望远镜阵列的分辨率足够高,就一定能成功给黑洞拍照。如同观看电视节目必须选对频道一样,对黑洞成像而言,在合适的波段进行观测至关重要。

  此前的一系列研究表明,观测黑洞事件视界“阴影”的最佳波段约为1毫米。路如森说,这是因为气体在这个波段的辐射最明亮,而且射电波也可以不被阻挡地从银河系中心传播到地球。在这种情况下,望远镜的分辨率取决于望远镜之间的距离,而非单个望远镜口径的大小。

  为了增加空间分辨率,以看清更为细小的区域,科学家们在此次进行观测的望远镜阵列里增加了位于智利和南极的望远镜。沈志强说:“这样设置是为了要保证所有8个望远镜都能看到这两个黑洞,从而达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率。”

  每年只有约10天观测期,照片问世前经过超级计算机长达两年的“冲洗”

  四大洲8个观测点组成的虚拟望远镜网络,让黑洞首次有了一张“正面照”。

  留给科学家们的观测窗口期非常短暂,每年只有大约10天时间。除了观测时间上的限制,拍摄对天气条件要求也极为苛刻。因为大气中的水对这一观测波段的影响极大,会影响射电波的强度,这意味着降水会干扰观测,要想事件视界望远镜顺利观测,需要所有望远镜所在地的天气情况都非常好。按照要求,计划选择的8个望远镜所在之处均海拔较高,降雨量极少,全部晴天的概率非常高。

  此外,要成像成功还必须要求所有望远镜在时间上完全同步。北京时间2017年4月4日,事件视界望远镜启动拍摄,将视线投向了宇宙。最后的观测结束于美国东部时间4月11日。观测期间,每一个射电望远镜都收集并记录来自于目标黑洞附近的射电波信号,这些数据此后被集成用于获得事件视界的图像。

  沈志强说:“为了确保信号的稳定性,事件视界望远镜利用原子钟来确保望远镜收集并记录信号在时间上同步。”

  拍照难,“洗照片”更不容易。射电望远镜不能直接“看到”黑洞,但它们将收集大量关于黑洞的数据信息,用数据向科学家们描述出黑洞的样子。在观测结束之后,各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心(分别位于美国麻省的Haystack天文台和德国波恩的马普射电所)。在那里,超级计算机通过回放硬盘记录的数据,在补偿无线电波抵达不同望远镜的时间差后将所有数据集成并进行校准分析,从而产生一个关于黑洞高分辨率影像。此后,经过长达两年的“冲洗”,今年4月10日,人类历史上首张黑洞照片终于问世。

  近年来,中国参与国际合作的广度和深度不断加大,在吸收世界创新养分的同时,也不断贡献中国智慧。

(责任编辑:王蔚)

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