人类史上首张黑洞照片公布
来源: 新京报 | 2019-04-11 06:30:11
黑洞研究史 ●1798年 法国数学家、物理学家拉普拉斯根据牛顿力学计算，一个直径为太阳250倍而密度与地球一样大的天体，其引力足以捕获其发出的光线而成为一个暗天体，也称为“暗星”。 ●1915年 爱因斯坦广义相对论诞生，预言存在黑洞这样一种天体。 ●1916年 德国天文学家史瓦西发现所有的星体都存在一个史瓦西半径，如果星体的实际半径比它的史瓦西半径要小，那么它就会变成一个黑洞。比如，太阳的史瓦西半径是3000米。 ●1939年 美籍犹太裔物理学家奥本海默根据广义相对论证明，当天体的质量大于临界质量时，引力坍塌后不可能达到任何的稳态，只能形成黑洞。 ●1970年 美国的“自由”号人造卫星发现位于天鹅座X-1上一个比太阳重30多倍的巨大星球，被一个重约10个太阳的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞，这是人类发现的第一个黑洞。 ●1974年 英国物理学家霍金证明黑洞具有与其温度相对应的热辐射，称为“黑洞辐射”。黑洞的质量越大，温度越低，辐射过程就越慢。 人类首张黑洞照片“冲洗”完成，这一神秘天体终于被人类看到了真容。4月10日晚，数百名科学家参与合作的“事件视界望远镜（EHT）”项目在全球多地同时召开新闻发布会，发布了人类拍到的首张黑洞照片。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”。 完美验证爱因斯坦相对论预言 中国科学院上海天文台研究员袁峰在发布会现场介绍，照片上的黑洞离地球有5500万光年，质量大概是太阳的65亿倍。照片上是它5500万年以前的样子，黑洞周围的空间是弯曲的。黑洞本身是不可见的，把黑洞放到放光的背景里，看到的照片就是这样。 据袁峰介绍，照片中一部分是中心区域不太发光的阴影，另一部分是围绕这个阴影的发亮的圆环。“我们最先看到的是M87星系，随着视角拉近，我们看到了黑洞喷流的结构，最后对黑洞进行了成像。大家想知道为什么黑洞会形成阴影，黑洞会形成一个环状吸积盘，与吸积盘垂直的方向有一个喷流结构。吸积流快速旋转，大概两天就能绕着M87转一周，随着物质的吸积，接近黑洞的时候，物质会变得非常热，发出非常强的辐射，就会被我们看见。由于一部分光子被黑洞吞噬，就会形成阴影。”袁峰解释，光就是从吸积盘上发出的，而黑色的阴影要比黑洞本身大几倍。 袁峰说，图片中亮的区域和暗的区域，对比度超过10倍。周围有个圆环结构，十分接近圆形，是因为引力透镜造成的。另外南北的不对称性很明显，南边亮，北边暗。这是因为多普勒增量效应，南边物质朝我们运动，就会变亮；北边物质远离我们，就会变暗。 “现在看到的亮环就是光线扭曲以后得到的结构，如果不扭曲，是看不到这样的图像的。理论和观测是互相促进的。”袁峰表示，目前来看，这张照片验证了爱因斯坦的广义相对论，后续的观测将解决一些还没搞清楚的问题。 他解释，黑洞的视界并不是发光区域，这个黑洞的视界在阴影里，比阴影面积要小一些。具体多大，广义相对论做出了详细的预测。 袁峰具体解释，人类通过射电望远镜得到这样一张照片，结合爱因斯坦广义相对论和黑洞吸积理论进行预测，把观测到的图像和预测的图像对比，发现吻合得非常好，完美地验证了爱因斯坦的广义相对论。 现场科学家介绍，能够得到这样一个图像，需要有地球直径大小的望远镜，为了得到这样一个望远镜，要求把地面上能够针对黑洞成像的望远镜组合起来。望远镜越多，成像质量越好，以后随着更多望远镜加入观测网络，黑洞成像质量会更好，对爱因斯坦理论验证会更精确。 我国天琴计划将搜寻黑洞 记者了解到，包括中国科学院上海天文台在内的一些中国机构参与观测和数据处理，中科院国家天文台副台长薛随建说，此次参与为中国今后在相关国际合作中发挥更重要作用做了良好示范。 华中科技大学物理学院的科学家吴庆文教授也参与其中，他表示，他和研究生冯建超博士主要参与了理论分析方面的工作。在过去几年里进行了系列研究，他们对黑洞吞噬物质过程、黑洞自旋等重要信息做了较好限定，提出这次观测的黑洞图像应该是来自黑洞吞噬的物质，而非相对论性喷流。此外，还发现这个巨型黑洞很有可能是高速自转的。这次拍摄的黑洞照片，较好支持了他们的研究结果。 吴庆文说，目前由我国主导的天琴空间引力波探测器计划，预计在2030-2035年间发射，在10万公里高度的地球轨道上部署三颗绕地球运转的卫星，组成臂长17万公里的等边三角形，形成空间引力波探测器。天琴引力波探测器将可以探测到宇宙诞生初期第一代恒星或气体云塌缩形成的双大黑洞合并产生的引力波，这将帮助我们理解宇宙早期种子黑洞、黑洞的增长历史以及星系演化等重大天文与物理学问题。因此，天琴空间引力波计划必将成为下一个20年探测宇宙黑洞的利器，特别是可能会搜寻到大量的中等质量黑洞。 释疑1 在此之前如何确认黑洞的存在？ 各种间接证据均证明黑洞确实存在 中科院国家天文台研究员苟利军表示，在这次拍照前，天文学家们通过各种间接证据表明，黑洞确实存在。 比如，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，也可以根据黑洞吸积物质发出的光来判断黑洞的存在。再就是通过看到黑洞成长的过程发现黑洞。 中科院国家天文台研究员刘继峰领导的国际团队在世界上首次成功测量到X射线极亮天体的黑洞质量，研究成果2013年11月28日发表在国际权威杂志《自然》上。他们在3个月的时间跨度上对漩涡星系中X射线极亮源M101ULX-1进行了研究，并确认其中心天体为一个质量可与恒星比拟的黑洞。这个黑洞加伴星形成的黑洞双星系统位于2200万光年之外，是人类迄今发现的距离地球最遥远的黑洞双星。 释疑2 “事件视界望远镜”是什么？ 8座望远镜组成超大“虚拟”望远镜 黑洞几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处，并在周围形成一个强大的引力场，在一定范围之内，连光线都无法逃脱。光线不能逃脱的临界范围被称为黑洞的半径或“事件视界”，也叫“视界面”。 现在望远镜的半径越造越大，我国的FAST已经有500米口径，已经发现了很多脉冲星。但是，要想观测遥远的黑洞，依靠目前任何单个望远镜都远远不够。2017年的4月5日到14日之间，来自全球30多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划，利用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。苟利军说，在2017年8个不同的望远镜进行观测的基础上，2019年又加了一台望远镜。 “事件视界望远镜”就是利用“甚长基线干涉技术（VLBI）”和全球多个射电天文台的协作，构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜。 释疑3 光都逃不出来，如何拍黑洞？ 周围气体产生的光线和辐射可观测 苟利军解释，“连光都逃不出来”指的是黑洞里面的情况，这次拍摄的是黑洞周围尚未掉入黑洞的气体所产生的光线和辐射。 “在电影《星际穿越》中，在黑洞外部亮的圆环的衬托下，中间有黑色的区域，我们将这块区域称为‘黑洞的阴影’。”苟利军说。 《星际穿越》中黑洞巨大的吸积盘吸引了很多观众，被称为最接近黑洞的想象。不过，苟利军表示，因为之前谁都没有“看”到黑洞的照片，之前的图像都是想象和推测出来的。“广义相对论在很多情形下都被验证是正确的，如果广义相对论是正确的，那么我们看到的黑洞应该就是这样。” 释疑4 给“黑洞”拍照难在哪？ 观测窗口期每年大约只有10天 要保证分布在全球各地的8个望远镜都能看到这两个黑洞，观测窗口期非常短暂，每年只有大约10天，2017年只有4月5日到4月14日合适。 苟利军说，这些望远镜都是在亚毫米波波段，通常需要在海拔比较高的地方来减少大气中水汽对于亚毫米光子的影响。比如位于智利的ALMA望远镜的海拔就有5000多米。据了解，这座望远镜耗资140亿美元，灵敏度是目前单阵列当中最高的。 释疑5 “冲洗”图像为何耗费两年？ 庞大数据需要计算机进行复杂的处理 苟利军说，虚拟的大望远镜阵列并非直接拍出了黑洞的图像，而是给出了许多数据，必须经历复杂的计算机处理过程。 有8个不同的望远镜，每一个收到的数据量都非常大，加到一起差不多有10PB。现在一般的笔记本电脑的硬盘是1TB，这些望远镜为此次观测接收的数据可以装满1万多个笔记本。 此外，在2017年4月的联合观测以后，研究团队还进行了一些数据收集和校准的工作。苟利军说，科学家需要对望远镜接受的光子进行定标，确保不同望远镜接收到的光子是来自于同一时刻，最后才能将所有图像进行叠加。其中还有些缺失或模糊的部分，需要科学家们拼图。 光既有波动性又有粒子性，观测到的每一时刻波动性非常强，所以需要对每一时刻接收的相位进行校对。苟利军作了一个形象的比喻，“我们拍照片的时候，如果手晃动，相片会模糊。这跟相机的工作模式有关系，相机的曝光时间要非常短，比手晃动的速度快很多，才能拍清楚。这就是为何要用高速摄像机拍摄运动员奔跑的形象，如果用普通照相机拍摄，会得到一个模糊的照片。” 释疑6 这张照片在科学上有多重要？ 一些悬而未决的问题有了解决的可能 苟利军说，因为是第一次看到黑洞，从科学的角度可以提供很多信息，帮助我们了解气体在黑洞内区真正的运动状态。 “之前根据研究，我们知道了黑洞周边有一些很壮观的现象，比如喷流等，还知道了黑洞的质量、转动等性质。但是，之前没有很好的方式去了解，虽然有一些方法，但可能有误差，也不知道是不是准确。因为不同的模型得到的结果往往偏差很大，相差几倍在天文学中是很正常的。” 有了这幅照片，科学中一些与黑洞有关的悬而未决的问题，就有了解决的可能。（记者李玉坤 王俊）