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“甜甜圈”黑洞照片冲洗耗时2年 中国参与合作

原标题:你好,“甜甜圈”黑洞!我们是地球人!

刚刚,人类历史上第一张黑洞照片正式公之于众。

100多年前就曾被爱因斯坦预言的黑洞,终于揭开了神秘面纱。

让我们深吸一口气,领略它的震撼!

黑洞真容问世

北京时间4月10日晚,全世界200多位科学家合作完成的一项重大天文学成果——人类首张黑洞照片,在全球多地同步发布。

人类有史以来获得的第一张黑洞照片真容:

宇宙中最神秘的天体、时空中的无底深渊,即使是光都无法逃逸……

长久以来,黑洞只不过是广义相对论的预言、爱因斯坦的方程、模拟电脑图像、引力波等项目的间接证据,或者科幻小说的想象。

今天,它却真实、完整地呈现在了我们的眼前,科学家将之称为“历史性宣布”。

距地球5500万光年质量65亿倍太阳

全世界200多位科学家合作完成的一项重大天文学成果——人类首张黑洞照片,北京时间4月10日晚在全球多地同步发布。事件视界望远镜(EHT)宣布,已成功获得超大黑洞的第一个直接视觉证据,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,它距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。

当晚9时,人类首张黑洞照片上海发布会在中国科学院上海天文台举行。天文学家介绍说,EHT是一个通过国际合作而实现的、由8个地面射电望远镜组成的观测阵列,旨在通过形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜来捕捉黑洞的图像,其所达到的灵敏度和分辨本领都前所未有。百年之前,爱因斯坦提出的广义相对论得到了首次试验验证。如今,作为多年国际合作的成果,EHT为科学家们提供了研究宇宙中最极端天体的新手段。

黑洞是一种被极度压缩的宇宙天体,在一个很小的区域内包含着令人难以置信的质量。这种天体的存在以极端的方式影响着周围的环境,让时空弯曲,并将周围的气体吸进来。在此过程中,气体的引力能转化成热能,因此气体温度变得很高,会发出强烈辐射。“如此一来,黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,我们预期黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域。这正是爱因斯坦广义相对论所预言的,可我们以前从未见过。”EHT科学委员会主席、来自荷兰奈梅亨大学的海诺·法尔克(Heino Falcke)解释称,“这个暗影的形成,源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获。暗影揭示了黑洞这类迷人天体的很多本质,也使得我们能够测量M87中心黑洞的巨大质量。”

照片冲洗耗时2年 中国参与合作

EHT建设和最新获得人类首张黑洞照片的成果源于数十年观测、技术和理论工作的坚持与积累,也是全球团队合作的典范,由中科院国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立的中科院天文大科学中心是EHT一个合作机构的成员,并由中科院上海天文台牵头组织协调参与此次EHT项目合作,积极参加全球对遥远M87星系中心超大黑洞的颠覆性观测。

中科院上海天文台台长沈志强研究员表示,“对M87中心黑洞的顺利成像绝不是EHT国际合作的终点站,我们期望也相信在不久的将来EHT会有更多令人兴奋的结果”。

18世纪,英国地理学家约翰·米歇尔便已经意识到:宇宙中有致密的天体,可以达到滴“光”不漏的程度——密度大到连光都完全无法逃逸。

1968年,美国天体物理学家约翰·惠勒正式提出,将这样的天体称作“黑洞”。

多年来,天文学家也只是基于物理学定律和基本假设,用计算机模拟黑洞的真容。

1978年,卢米涅给出了黑洞事件视界的第一幅图像。但这不是一张真正的照片,而是他利用自己的数学知识和相关技术以及60年代的一台IBM 7040穿孔卡片计算机对黑洞景象进行的电脑模拟。

事实上,要想观测遥远的黑洞,依靠目前地球上任何单个望远镜远远不够。

2017年4月,事件视界望远镜项目(EventHorizon Telescope,简称EHT)启动。

EHT通过“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——事件视界望远镜。

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”。

EHT的“八只眼睛”位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极。

当8个射电望远镜(阵)组成“地球级别”的虚拟望远镜阵列,同一时刻、同一方向,对准同一片遥远星空,黑洞——这个深藏于宇宙各处的引力陷阱,也会“发出耀眼光芒”。

据介绍,EHT建设和最新获得人类首张黑洞照片的成果源于数十年观测、技术和理论工作的坚持与积累,也是全球团队合作的典范。

仅黑洞照片的“冲洗”就用了约两年时间。

值得一提的是,由中科院国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立的中科院天文大科学中心是EHT一个合作机构的成员,并由中科院上海天文台牵头组织协调参与此次EHT项目合作,积极参加全球对遥远M87星系中心超大黑洞的颠覆性观测。

资料图:2010年11月,美国宇航局揭开了一则吊足媒体胃口的“秘密”——该局发现的“异常物体”不是此前盛传的UFO(不明飞行物或称飞碟),也不是外星人,而是地球附近一个年仅30岁的黑洞,这也是人类科学史上发现的最年轻的黑洞。

照片背后的这些知识

——黑洞是什么?

理论上,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(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:恒星级质量黑洞(几十倍至上百倍太阳质量)、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)。

——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?

在这次拍照前,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。

还有很多类似的证据,无不说明了黑洞真实存在。

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泛合作和持续努力,终于直接拍到首张黑洞照片。

——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。

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。

这颗超大质量黑洞会影响人类的生活吗?银河系中除了这个超大质量黑洞外,还有很多恒星级黑洞,它们和人类有关系吗?黑洞和它所在的星系之间究竟有什么关系?

这些都是天文学家非常关心的领域。

 图片来源:路如森/中科院上海天文台

图片来源:路如森/中科院上海天文台

其中一种理论模型预言的银心的黑洞阴影以及周围环绕的新月状光环。

——为什么要给黑洞拍照?

对黑洞阴影的成像将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,最重要的目的是在强引力场的极端环境下验证爱因斯坦的广义相对论,并同时细致研究黑洞周围的物质吸积和喷流的形成及传播。

——什么样的黑洞适合拍照?

黑洞阴影和周围环绕的新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直径足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成像候选体。

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。

——什么样的望远镜可以对黑洞成像?

要对黑洞成像,必须要保证望远镜足够灵敏,能分辨的细节足够小,从而能保证看得到和看得清。

满足这些条件,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阵列的分辨率足够高,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对频道一样,对黑洞成像而言,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。

——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成像候选体。

二是要共同合作组成一个超级大望远镜——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观测中每个台站的数据率达到惊人的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,至少要几百年才能看完。

浩瀚宇宙中还有哪些谜团将解开?

来源:中新网

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关键词: 黑洞 eht