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2019年04月10日 星期三
第A05版:科技咖啡馆    
   
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2019年04月10日 星期三
黑洞首张照片,今天见!是谁为它拍下这第一张照片?
杨甜子

  美国亚利桑那州的毫米波望远镜

  西班牙30米毫米波望远镜

  墨西哥的大型毫米波望远镜

  位于夏威夷的麦克斯韦望远镜

  位于夏威夷的亚毫米波望远镜

  智利阿塔卡马大型毫米波阵

  智利阿塔卡马探路者实验望远镜

  南极望远镜

  “八兄弟”分布图。

  《星际穿越》片中的黑洞

  北京时间今天21点整,全球六地(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)将以英语、西班牙语、汉语和日语四种语言,通过协调召开全球新闻发布会,“事件视界望远镜(EHT)”将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果,人类首张黑洞照片在全球六地同步发布, 一直“活在传说中”的黑洞终于露真容了!

  电影《星际穿越》中 黑洞的模样让人记忆犹新

  除了各种效果图,大概大家“亲眼”看到的黑洞形象是2015年在电影《星际穿越》中,片中的黑洞“卡冈图雅”——深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆环——相对论物理学家基普·索恩为影片设计的黑洞形象,和想象中的相差无几。

  这次发布会的通知上,“事件视界望远镜(EHT)”的出现无疑让人十分好奇。什么是事件视界?事件视界望远镜又有什么特点呢?由于黑洞是一种体积极小、质量极大的天体,具有非常强的引力,在它周围的一定区域内,连光也无法逃逸出去,这一区域被称为“事件视界”。“事件视界望远镜”实际上尝试观测的是黑洞的“事件视界”。

  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,人类第一次看到黑洞的视界面。这个虚拟的望远镜网络被称为“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope, EHT),其有效口径尺寸达到地球直径大小。         综合

  3大疑问

  看到真容前,黑洞这些知识你了解吗?

  黑洞这个人类一直试图去破解的难题,一时间再次成为公众的焦点。黑洞到底有多“黑”?这张照片到底是怎么拍出来的?紫金山天文台研究员刘四明应邀为读者做了解读。                              扬子晚报/扬眼记者  杨甜子

  都叫“黑洞”了,科学家怎么知道它在哪?

  黑洞不黑,反而因“太亮”所以被发现

  关于黑洞的提问,肯定望文生义从名字开始。很多人不禁畅想,黑洞一定很“黑”,科学家是怎么知道它的方位的?

  其实,黑洞不黑,刘四明研究员告诉记者,黑洞被科学家发现,是因为它实在太亮了。“黑洞”的概念,最早是在1916年由德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得出的,他发现,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,即在这个空间点周围存在一个界面——“视界”,一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。

  黑洞的亮光,并不是自己发出的,这些光亮来自被黑洞的引力所吸引的热气体。黑洞有着非常强的引力,它能够将周围的气体撕扯到它自己身边,产生一个围绕黑洞旋转的气体盘,名叫吸积盘。当吸积气体过多时,一部分气体在掉入黑洞视界面之前,在旋转磁场的作用下会沿着吸积盘转动轴方向被抛射出去,形成喷流。吸积盘和喷流两种现象都因气体摩擦而产生了明亮的光与大量辐射,这就是我们在各种黑洞的模拟图片中见到的一圈圈的光亮。“黑洞到底在哪里”这个问题自然迎刃而解了。此外,太空中的黑洞远不止一个。几乎所有的星系都有一个非常大的黑洞。

  给黑洞“拍照”的望远镜是什么神器?

  “八兄弟”遍布地球,每年只有10天窗口期 

  要想观测遥远的黑洞,依靠目前任何单个望远镜都还远远不够。因此,在过去10多年时间里,麻省理工学院(MIT)的科学家们联合了其它研究机构的科研人员,开展了激动人心的“事件视界望远镜”项目,全球多地的8个亚毫米射电望远镜将同时对黑洞展开观测。这八兄弟北至西班牙,南至南极,它们将向选定的目标撒出一条大网,捞回海量数据,为我们勾勒出黑洞的模样。它们多数都是单一望远镜,比如夏威夷的望远镜和南极望远镜;也有望远镜阵列,比如智利的望远镜阵由70多个小望远镜构成。

  选个“大块头”来拍照片,成像效果应该会更好一些吧?这个猜想在天文学上是个误区。科学家选定“模特”的标准,不是看天体质量的大小,而是根据天体在天空中的张角来决定。刘四明以本次被“拍照”的两个黑洞为例,其中一个黑洞在银河系的中心,约为400万个太阳质量。另一个黑洞则在一个射电星系,约为40亿个太阳质量。“射电星系里的黑洞远比银河系的要大,我们从地球上看过去,观测的距离也更远,但是在成像时,两个黑洞的大小是差不多的。”为了方便读者理解,刘四明以大家常见的太阳和月亮举例,从地球上看过去,太阳和月亮差不多大,但实际上太阳远比月亮要大得多,这就和太阳与月亮到达地球的不同距离有关。

  要想看清楚两个黑洞视界面的细节,视界面望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。要多高呢?比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上。 

  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。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,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(对于2017年来说,是在4月5日到4月14日之间)。 

  “洗照片”为何还要耗时两年?

  要把“八兄弟”数据分析后才能得出图像

  黑洞到底“长啥样”?这么多年来,科学家们有过不同的观点,喷泉、甜甜圈甚至是一块石头的模样,都曾经被人“提名”作为黑洞的外形。

  给黑洞拍张照片不容易,“洗照片”更是耗时漫长。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。 

  刘四明介绍,此次的“拍摄”是科学家们的一次实景“描绘”,8个天文望远镜将观测到的电磁波集中“反馈”,利用对这些电磁波信号的分析,科学家们可以获得和黑洞附近高温物质分布有关的一些物理量,再结合多年来不断完善的黑洞理论模型,通过模拟观测过程,模拟量可以和观测量比对,得到黑洞成像。但刘四明认为,由于这些数据来自8个观测点,因此照片在“精细程度”上是需要打个问号的。未来,伴随着科学技术的更加成熟,我们或许能够为黑洞拍出“清晰度”更高的照片。刘四明表示,逐步解锁对黑洞的认知,将有助于我们理解星系的形成和演化。

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