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科学家花了几天拍照,两年“洗相”——黑洞什么样?这次有图有真相

黑洞,宇宙中的当红“大咖”,天文学界、物理学界的“宠儿”。巨大的质量、近乎于零的体积、吞噬一切的引力、无限高的时空曲率,就连光也无法逃脱它的“魔爪”。

自20世纪开始,人们对黑洞的探秘就从未停止过。然而,经过全球200多位科学家数年的努力,直到今年的4月10日,人们才真正看到第一张黑洞照片。

过去科学家如何确定黑洞的存在?如今给黑洞“拍照”有何难点?“相机”在哪些方面取得了突破?首次“拍照”黑洞的尝试,对象选择有何“诀窍”?

隐形的它刷足存在感

“黑洞体积很小,而且与地球的距离非常遥远,限于单个望远镜的分辨率,我们无法直接看到黑洞。”中国科学院国家天文台研究员苟利军告诉笔者。

虽然看不到它,但科学家很早之前就预知了它的存在。早在十八世纪,数学家拉普拉斯等人基于经典的牛顿万有引力,提出了“暗星”的存在,这可以算是黑洞概念的雏形。1915年,爱因斯坦提出广义相对论,给出了后世皆知的爱因斯坦场方程。1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,表明如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——事件视界面,一旦进入视界面,即使光也无法逃脱。美国物理学家约翰·惠勒将之形象地称为“黑洞”。

自史瓦西得到黑洞的第一个解之后,许多物理学家也开始投身到对这种“不可思议的天体”的研究中。20世纪30年代,美国的“原子弹之父”奥本海默研究发现,恒星在一定环境下可以坍缩形成黑洞,这种观点在近几十年的数值计算中得到了证实。

随着天文观测技术的发展,对于天体的研究显然不会仅仅停留在计算的层面。但问题是,黑洞不同于其他天体,它既然连光都能吞噬,人类又怎能在茫茫宇宙中发现黑洞呢?

“科学家可通过测量黑洞对周围天体的作用和影响,如吸积盘、喷流现象等,间接观测或推测黑洞的存在。”苟利军表示,物质在被吞噬时,会沿螺旋状轨道靠近并落入中心的黑洞,从而在黑洞周围形成圆盘状的吸积盘。在黑洞的引力下,吸积盘内物质落入黑洞的速度极快,物质之间的摩擦使它被加热至数十亿摄氏度的高温,从而发出辐射。黑洞“吸食”周围的天体物质时,部分气体在被“吃”之前会沿着旋轴的方向喷射出高能粒子,这便是喷流。

吸积盘和喷流都是宇宙中极为明亮的现象。1964年,美国科学家利用探空火箭在天鹅座区域偶然发现了一个非常明亮的X射线天体,科学家将其命名为“天鹅座X-1”。它成为了人类发现的第一个黑洞候选体。此后,人们陆续发现了大量黑洞,这其中包括质量与天鹅座X-1差不多、相当于几十倍太阳质量的恒星级黑洞,也包括几十万、上百万倍太阳质量的超大质量黑洞。此前有科学家估算过,质量高于10个太阳质量的黑洞数目应该多于1亿个。

视界面望远镜“大展拳脚”

仅仅通过间接信息来观测黑洞显然已经无法满足科学家们的好奇心了。2017年4月5日,由位于南极、智利、墨西哥、美国、西班牙的8台亚毫米波射电望远镜同时对黑洞展开观测,利用甚长基线干涉测量技术(VLBI)将这8台望远镜构建成一个口径等同于地球直径的超级“虚拟”望远镜——视界面望远镜(EHT)。

“吸积盘的辐射主要是在可见光、紫外以及X射线波段。”苟利军说,但在吸积盘之外,黑洞周围还会存在不少高速运动的自由电子,这些速度接近光速的电子在电磁场的作用下会产生射电波段的同步辐射,从而为视界面望远镜“拍照”创造了条件。

“本次观测黑洞的亚毫米波段是射电波段中最短的部分,而虚拟望远镜的口径也扩大到了地球直径大小,使虚拟望远镜的分辨率大为提升,因此可以进行观测黑洞的尝试。”苟利军告诉笔者。

地球直径大小的望远镜是如何炼成的?简单说来,VLBI是把几个小望远镜联合起来,达到一架大望远镜的观测效果。“利用VLBI技术将多台望远镜组网观测时,虚拟望远镜的口径大小取决于其中距离最远的两台望远镜之间的距离。”中国科学院国家天文台研究员陈学雷在接受笔者采访时表示。

从参与观测的8台望远镜所处的地理位置来看,西班牙格拉纳达市与美国夏威夷莫纳基亚山距离超过10000公里,与地球直径相当。

“两台望远镜构成一条基线。最长的基线能提供目标天体最细致的细节,而参与组网的望远镜越多,基线就越多,就能得到质量越好的合成图像,让人们看到目标天体在不同尺度的细节。”陈学雷说。

科学家们付出诸多努力打造出这台“巨无霸相机”,用了数日进行“拍照”,但“洗照片”的过程却花费了2年时间。为何“冲洗”时间如此之长?

“这类观测的数据处理并非只用一套现成的方法。多台望远镜之间的钟差、望远镜自身状态随时间的微小改变等问题都会影响观测精度。另一方面,‘拍照’对象黑洞本身也在不断变化,科学家需要探索新方法对‘相机’进行校准,建立模型,以提升合成图像的质量和精度。”陈学雷指出,数据处理过程中需要根据处理结果不断调整运算方法,加之数据量巨大,因此用时很长。有报道称,为了处理这些海量数据,美国麻省理工学院等机构的科学家开发了新算法,以加快数据分析。

工作在射电波段的视界面望远镜正在“刷屏”,但我们是否有更好的选择?中国科学院上海天文台副台长袁峰此前表示,如果用光学望远镜观测黑洞需要达到几公里的口径,红外望远镜需要达到10~100公里口径。

“建设数公里甚至数十公里的单口径光学或红外望远镜显然工程浩大、难以实现,而‘合众之力’的干涉测量技术在上述领域中的应用也尚不成熟。”陈学雷表示,在目前技术水平下利用大口径射电望远镜“组团”观测是最为现实的选择。

选择“拍照”对象有学问

在目前发现的大量黑洞候选体中,科学家为何会“相中”人马座A*黑洞和M87星系中心黑洞进行“拍照”?

“这两个黑洞的视大小是我们所发现的黑洞中最大的两个。”苟利军告诉笔者,视大小指我们从地球上观测天体时,直接看到的天体大小。这取决于天体本身的直径以及它与地球的距离。同样大小的天体距离我们越远,在天空中看起来就越小。

人马座A*黑洞位于银河系中心。“相对来说,人马座A*黑洞并非是我们观测到的最大质量的黑洞,但是它距离地球最近,被看作研究黑洞物理的最佳对象。”苟利军表示,M87星系黑洞则以“胖”著称,其质量估计可达几十亿倍太阳质量。

“以前关于黑洞的证据并不直接,此次‘拍照’能获得最为直接的证据,给两个黑洞‘验明正身’,确认之前的间接观测和推测是否正确,也为今后的研究和观测提供一种检验方式。”苟利军指出。

本次“拍照”还可为一些基础物理研究提供数据或解释天文现象成因,如喷流的形成,科学家们希望能够解释黑洞自旋是否为喷流提供了能量源。而通过观察黑洞视界面的大小和形状,或许能够首次在超大质量黑洞周围的极端空间验证爱因斯坦引力理论。甚至,有人希望此次“拍照”能找到不同于黑洞的未知物体,用来验证其它恒星塌缩理论。

百载汲汲求索,今朝何其幸运能够见证第一张黑洞照片问世。当然,掀起黑洞甚至更多神秘天体的“盖头”,今天迈出的仅仅是第一步,未来我们会一直在路上。 于紫月

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