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黑洞到底是個什么“洞”

2019-4-10 10:52:46 來源:綜合新華社、央視、中央人民廣播電臺等報道

        10日,全球六地將通過協調召開全球新聞發布會,“事件視界望遠鏡(EHT)”將宣布一項與超大質量黑洞照片有關的重大成果,人類首張黑洞照片即將在全球六地同步發布。


  黑洞這個人類一直試圖去破解的難題,一時間再次成為公眾的焦點。首張黑洞照片即將面世,在此之前,我們先來了解一下黑洞究竟是如何形成的?黑洞到底有多黑?科學家是如何拍到黑洞的?



  六地同時發布


  據“事件視界望遠鏡”項目官網發布的消息,美國東部時間10日9時(北京時間10日21時),在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京將同時召開新聞發布會,以英語、漢語、西班牙語、丹麥語和日語發布“事件視界望遠鏡”的第一項重大成果。


  一些重要嘉賓將參加在美國華盛頓全國記者協會舉行的發布會,包括“事件視界望遠鏡”項目主任、美國哈佛-史密森天體物理學中心資深天文學家謝潑德·杜勒曼、項目重要資助方美國國家科學基金會主席弗朗斯·科爾多瓦等。美國國家科學基金會官網首頁有關發布會的介紹中寫道:“關于黑洞的歷史性宣布。”


  黑洞是一種質量極大的天體,具有非常強的引力,在它周圍的一定區域內,連光也無法逃逸出去,這個邊界稱為“事件視界”。2017年4月“事件視界望遠鏡”啟動拍照時,科爾多瓦曾發表聲明說,這是“一項令人激動并具挑戰性的工作”,將有助于驗證一些最基本的物理學理論。


  黑洞照片“沖洗”用了約兩年時間。今年3月,出席2019年美國“西南偏南”多元創新大會和藝術節的杜勒曼告訴新華社記者:“對這個項目的成功我們非常樂觀,實際上我們已經完成了幾乎所有工作。”包括中國科學院上海天文臺在內的一些國內機構參與了此次國際合作。



  到底啥是黑洞


  “簡單來說,黑洞是一個連光線都不能逃脫的致密黑色球體。”中科院國家天文臺研究員,中國科學院大學教授,國家天文臺恒星級黑洞研究創新小組負責人茍利軍介紹,因為其黑洞的質量集中在一個非常小的范圍,但是引力非常強,所以會在周圍形成一片逃逸速度大于光速的區域,這片區域就是大家所說的黑洞。


  黑洞自身不發光,難以直接探測,大大小小的望遠鏡對于直接觀測遙遠黑洞力有不逮。茍利軍介紹,為此,科學家們便采用一些間接方式來探測黑洞——比如觀察吸積盤和噴流。在某些時候,恒星量級(從3個太陽質量到100個太陽質量大小)的黑洞會存在于一個恒星周圍,將恒星的氣體撕扯到它自己身邊,產生一個圍繞黑洞旋轉的氣體盤,即吸積盤。


  當吸積氣體過多,一部分氣體在掉入黑洞視界面之前,在磁場的作用下被沿轉動方向拋射出去,形成噴流。吸積盤和噴流兩種現象都因氣體摩擦而產生了明亮的光與大量輻射,所以很容易被科學家探測到,黑洞的藏身之處也就暴露了。“根據探測中心天體周圍恒星的運動,科學家推斷在銀河系中心也有一個黑洞存在。”茍利軍舉例說。

  事實上,人類對黑洞的探索早在18世紀就開始了,對黑洞的了解貫穿了人類科技飛速發展的近300年時間。18世紀法國科學家拉普拉斯曾提出,在宇宙中有一種天體,它的引力非常強,以至于光線都無法逃脫,他把這類天體稱為“暗星”,茍利軍介紹,這就是科學家對黑洞最原始的想法。



  “拍照”有神器


  而真正對于黑洞的推導來自愛因斯坦提出的廣義相對論,在廣義相對論提出幾個月后,德國物理學家史瓦西1916年推導出廣義相對論球對稱引力場的嚴格解,還提出了物體的史瓦西半徑的概念。當一顆恒星發生引力坍縮、收縮到這一半徑大小時,就會變成黑洞。1962年,新西蘭物理學家羅伊·克爾解決了旋轉黑洞(即克爾黑洞)的引力場和時空問題。


  但以上僅僅是理論上的研究,人類對于黑洞的觀測始于20世紀60年代末。70年代初,一次偶然的機會,科學家觀測天鵝座X-1 ,發現其X光強度有波動,并推斷其是一個黑洞系統。茍利軍介紹,到目前為止,銀河系中人類觀察到,并且有精確質量測量的黑洞大約有20個,整個銀河系中可能有上億個黑洞存在。


  發現黑洞不易,給它拍照就更難了。這次發布會的通知上,“事件視界望遠鏡(EHT)”的出現無疑讓人十分好奇。什么是事件視界?事件視界望遠鏡又有什么特點呢?


  根據茍利軍介紹,上個世紀初,愛因斯坦提出的廣義相對論預測黑洞不僅存在,而且還是宇宙中一些極端現象的“幕后推手”。黑洞是一種體積極小、質量極大的天體,具有非常強的引力,在它周圍的一定區域內,連光也無法逃逸出去,這一區域稱為“事件視界”。“事件視界望遠鏡”實際上嘗試觀測的是黑洞的“事件視界”。



  首次確認存在


  茍利軍此前在一篇文章中介紹,2017年的4月5日到14日之間,來自全球30多個研究所的科學家們開展了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃,利用分布于全球不同地區的8個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網絡,人類第一次看到黑洞的視界面。這個虛擬的望遠鏡網絡被稱為“事件視界望遠鏡”,其有效口徑尺寸將達到地球直徑大小。


  其原理是通過甚長基線干涉測量技術(VLBI),科學家用多個天文望遠鏡同時觀測一個天體,模擬一個大小相當于望遠鏡之間最大間隔距離的巨型望遠鏡的觀測效果,它的口徑大小取決于望遠鏡系統中最遠的兩個望遠鏡之間的距離,而口徑越大,分辨率越高,細節也就越清晰。


  那么如何選擇拍攝對象呢?茍利軍介紹,為了更利于觀測,科學家在選定時會傾向于選擇視大小更大的單位,最終確定了兩個黑洞作為拍攝重點,一個是位于銀河系中心的“人馬座A”,另一個位于代號為M87的超巨橢圓星系中心。對于這次發現的意義,茍利軍認為,最直接的意義就在于人類第一次直接確認了黑洞的存在,“此前有很多間接證據證明黑洞的存在,但不排除還有一絲是其他星體的可能性,這次的發現就能直接說明黑洞的存在。”


  對于黑洞研究的下一步方向,茍利軍認為,科學家可能會進一步提高黑洞照片的清晰度,“這樣我們也可以去更進一步了解黑洞周圍的環境。”此外,他認為,黑洞周圍氣體的運動也將是科學家進一步探索的方向之一。 綜合新華社、央視、中央人民廣播電臺等報道


 

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