神秘“黑洞”终现身!首张黑洞照片面世

|· 本文来自“我是科学家”·|

今天,是一个具有特殊意义的日子,就在刚才,我们见证了人类历史上第一张黑洞的照片——来自M87星系。

这个潜伏在宇宙中施展“吸星大法”的“宇宙怪兽”,终于将它的真实风采展现给世人!

这次的黑洞照片由EHT项目和中国科学院共同发布,这是国际天文学家门共同协作完成的一个重大成就,也是一个令全球瞩目的重大成果。比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿六地以英语、西班牙语、汉语和日语四种语言进行了同步直播。

加入黑洞观测计划的各国天文望远镜。图片来源:北京时间

为什么说这是轰动世界的大事件呢?

因为在此之前,黑洞的模样一直都只停留在人们的猜想和推测中,虽然科学家们曾经描绘过许多关于黑洞的想象图,但没人见过真正的黑洞长什么样。

今年2月,法国梅东的巴黎天文台的Jean-Pierre Lumine,发布了一份黑洞成像历史,为人们展示了各种黑洞的模拟图[1]

1979年,巴黎天文台的Jean-Pierre Lumine手绘黑洞图像。图片来源:Science| J.-P. LUMINET

利用计算机模拟出的一个非旋转黑洞及其吸积盘不同角度样貌的图像。图片来源:Science| J. A. MARCK/J.-P. LUMINET

电影《星际穿越》中的黑洞。图片来源:Science| AF ARCHIVE/ALAMY STOCK PHOTO

人们对黑洞形象的猜想大多与种模拟图及科幻片中的一致:它是一个能够吞噬其他物质和光芒的,黑暗而深邃的“无底洞”。

黑洞是怎样形成的?

其实,黑洞并不是生来就是“宇宙怪兽”。

黑洞可以按照质量分为恒星级黑洞(质量一般是几倍或者十几倍于太阳的质量),中等质量黑洞(质量是数百到数十万倍于太阳质量)和超大质量黑洞(其质量超过数十万倍太阳质量)。

这次M87星系中心“看”到的就是这样一个超大质量黑洞,一般认为每个典型的大质量星系中心都会有一个这样的超大质量黑洞。超大质量黑洞也许是恒星级黑洞在宇宙的漫长岁月里通过吞噬周围物质或者通过相互并合长大的,具体机制我们仍然不是非常清楚。

而恒星级黑洞则是由是恒星演化而来的:

在恒星的一生中,总有两种不同的力量在相互抗衡:自身的引力向内施压,而内部热核聚变反应所产生的能量则向外抵抗力。当这两种力量不分伯仲的时候,恒星就处于较为稳定的状态。

但恒星内部用于热核聚变的燃料终有一天要用尽,当这一天来临时,两股力量的悬殊就会显现出来:一旦恒星自身的引力占了上风,恒星就无可避免的向内坍缩,并且引力的作用会越来越剧烈。随着恒星的物质变得越来越致密,它的逃逸速度也就越来越大。

当恒星致密到逃逸速度大于光速时,一个恒星级黑洞就形成了!此时,即便是宇宙间运动速度最快的物质——光,也无法逃离黑洞了。

黑洞和各种星体的循环演变图。图片来源:腾讯网

人类如何“看到”黑洞?

霍金在生前有一个说法,黑洞是无法被人类直接进行观测的,这是因为任何进入黑洞边界的物质和光都无法再逃出。这个无法再逃逸的边界被成为事件视界。但是,在事件视界之外,周围气体被黑洞强大的引力所拉拽,形成一个炽热的吸积盘,有时还伴有喷流。

吸积盘本质上是黑洞利用其强大的引力,拉扯周围的气体形成的炽热气体盘(因为角动量守恒)。吸积盘会放出各种不同“颜色”(频率)的辐射,帮助我们间接观测黑洞[2]

黑洞积吸盘科幻图。图片来源:搜狐网

“吸积盘”还经常会在临近黑洞的地方产生定向、狭长、高速的“宇宙火柱”——“喷流”。

黑洞“喷流”科幻图。图片来源:腾讯网

通过观测吸积盘或喷流的电磁辐射(比如EHT就是通过观测毫米波段的电磁辐射,给超大质量黑洞拍照),天文学家便可以勾勒出黑洞的面貌。日本国立天文台就曾成功测量到“喷流”的根部直径,从而弄清喷流机制和绘制黑洞图像[2]

“事件视界望远镜”(EHT)强强联合为黑洞拍照

早在2006年,天文学家已经开始了对超大质量黑洞拍照:

超大质量黑洞虽然质量很大,但是尺寸很小(对于银河系中心的超大质量黑洞,质量是4百万倍太阳质量;半径只有太阳的17倍),离我们地球很远,拍照的难度很大(相当于从中国看清楚位于美国的一颗瓜子),因此只有组建口径为地球大小的望远镜才能看清楚。

到了2012年,天文学家在美国亚利桑那州举行了首次国际会议,协调全球各地的大型天文望远镜,对M87星系进行观测,捕捉黑洞周围气体发出的电磁信号——这个项目被称为“事件视界望远镜”(EHT)。

事界望远镜地理位置简图。图片来源:sciencemag

天文学家们利用“甚长基线干涉技术”(VLBI),通过协调全球8个射电天文台的望远镜,甚至位于南极的望远镜SPT也加入进来,构建了一个口径等同于地球直径的——“虚拟”望远镜,接收来自超大质量黑洞周围的波长为毫米的光子,积累了海量的数据(数个PB;一个PB是1000TB,一百万GB)。

SPT南极望远镜。图片来源:科学世界

目前,EHT大约由全球12个国家的30所大学和科研机构组成,中国的中科院上海天文台也是该项目的合作单位[3]

通过对来自八个望远镜数据的合并和详细分析,并与计算机模拟结果进行比对等复杂“照片冲洗”过程,天文学家最终得到了黑洞的图像。

就在今天,事件视界望远镜(EHT)终于将这一伟大成果,展示给了公众!

而这也将成为人类天文史上一个无比珍贵的记忆,被世人铭记。(编辑:Yuki)

引用(来自网络):

  1. Here’s what scientists think a black hole looks like https://www.sciencemag.org/news/2019/04/here-s-what-scientists-think-black-hole-looks
  2. 科学家成功测定“宇宙火柱”黑洞喷流 http://tech.qq.com/a/20120929/000101.htm 
  3. 天文学家将于4月10日公布重大消息:他们发现了什么?http://tech.zhejianglong.com/a/2019/0404/17315.html

作者名片

The End

发布于2019-04-10, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

我的评论

桂思奇

中国科学技术大学 研究生

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    王国燕

    PhD,国际科技传播学会PCST学术委员。

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