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人类首次拍到黑洞照片 这篇文章告诉你为什么拍到黑洞如此重要

事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)是个跟地球一样大的地面无线电波望远镜数组,天文学家利用它成功拍摄到超大质量黑洞及其暗影的第一张图

事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)是个跟地球一样大的地面无线电波望远镜数组,天文学家利用它成功拍摄到超大质量黑洞及其暗影的第一张图像。 这张图像揭露的是室女座星系团中大质量星系M87中心的黑洞。 PHOTOGRAPH BY EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION

此次事件视界望远镜计划八座望远镜位置。 MATTHEW W. CHWASTYK, NG STAFF SOURCE: EVENTHORIZONTELESCOPE.

此次事件视界望远镜计划八座望远镜位置。 MATTHEW W. CHWASTYK, NG STAFF SOURCE: EVENTHORIZONTELESCOPE.ORG

夜空微光下的66座阿塔卡玛大型毫米及次毫米波数组天线,它们是事件视界望远镜网络的重要成员。 PHOTOGRAPH BY BABAK TAFRESHI

夜空微光下的66座阿塔卡玛大型毫米及次毫米波数组天线,它们是事件视界望远镜网络的重要成员。 PHOTOGRAPH BY BABAK TAFRESHI

椭圆星系M87是邻近的室女座星系团的主要成员,包含数兆颗恒星、一个超大质量黑洞和大约1万5000个球状星团。 相比之下,我们的银河系只有几千亿颗恒星和大约150

椭圆星系M87是邻近的室女座星系团的主要成员,包含数兆颗恒星、一个超大质量黑洞和大约1万5000个球状星团。 相比之下,我们的银河系只有几千亿颗恒星和大约150个球状星团。 PHOTOGRAPH BY NASA, ESA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA); ACKNOWLEDGMENT: P. COTE (HERZBERG INSTITUTE OF ASTROPHYSICS) AND E. BALTZ (STANFORD UNIVERSITY)

M87星系的中心闪耀着一个巨大的宇宙探照灯:从黑洞向外喷射出的次原子粒子流的速度接近光速。 在这张哈伯太空望远镜所拍摄的影像中,蓝色的喷流与M87星系中恒星和星

M87星系的中心闪耀着一个巨大的宇宙探照灯:从黑洞向外喷射出的次原子粒子流的速度接近光速。 在这张哈伯太空望远镜所拍摄的影像中,蓝色的喷流与M87星系中恒星和星团所发出的黄色光芒形成强烈的对比。 PHOTOGRAPH BY NASA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)

在夏威夷茂纳开亚火山(Mauna Kea volcano)上矗立着许多天文台,其中也包括在2017年参与事件视界望远镜观测的詹姆斯. 克拉克. 麦克斯威尔望远镜

在夏威夷茂纳开亚火山(Mauna Kea volcano)上矗立着许多天文台,其中也包括在2017年参与事件视界望远镜观测的詹姆斯. 克拉克. 麦克斯威尔望远镜(左二)。 PHOTOGRAPH BY BABAK TAFRESHI

超大质量黑洞的质量可能达到太阳的数十亿倍,而它们的起源至今仍是未解之谜。 JASON TREAT AND ALEXANDER STEGMAIER, NGM ST

超大质量黑洞的质量可能达到太阳的数十亿倍,而它们的起源至今仍是未解之谜。 JASON TREAT AND ALEXANDER STEGMAIER, NGM STAFF. ART BY MARK A. GARLICK SOURCES: AVERY BRODERICK, PERIMETER INSTITUTE FOR THEORETICAL PHYSICS, UNIVERSITY OF WATERLOO, CANA DA; UCLA GALACTIC CENTER GROUP

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:NADIA DRAKE 编译:邱彦纶):天文学家利用跟地球一样大的望远镜,首度拍摄到宇宙中最奇特的天体──黑洞! 这篇文章告诉你为什么拍到黑洞如此重要。

在离我们超过5000万光年之外,巨大的椭圆星系M87中心潜伏着一头巨兽,任何物质只要靠得太近,就会被吞噬无踪。 不论是恒星、行星、气体、尘埃──甚至是光线,只要越过称为事件视界(event horizon)的界线,就无法逃脱这头巨兽的魔爪。

在4月10日举行的记者会上,科学家揭开了这个神秘天体的面纱──65亿倍太阳质量的超大质量黑洞。 我们可以在影像中看到一个不对称的光环,围绕着黑色的圆形空洞,这就是全世界上第一张的黑洞剪影,描绘出无法逃离的黑洞边缘。

这张影像是事件视界望远镜计划所取得的非凡成就。 来自全球超过200位的科学家共同合作,利用分布在世界各地的天文台数组──地点从夏威夷到南极,结合起来组成一座口径相当于地球直径的望远镜。 在2017年4月观测黑洞的期间,所收集的数据甚至超过千兆位(译按:petabyte,简称PB,相当于1024 TB)。 之后科学家更是花了两年时间,才处理好这张黑洞影像。

在这之前,我们都只能观测到黑洞存在的间接证据──包括似乎是绕着奇特天体运转的恒星、旋入黑洞的超热物质所发出的辐射,或是从混乱环境中喷射出的高能粒子喷流。

凝望深渊

全世界各地的强大望远镜协同彼此工作,达到单一望远镜所无法企及的解析力。 在事件视界望远镜2017年的观测中,每个装置间相距甚远,但其实能增强望远镜的效果。

A:亚历桑那无线电波天文台(Arizona Radio Observatory)的次毫米波望远镜(Submillimeter Telescope)

B:詹姆斯. 克拉克. 麦克斯威尔望远镜(James Clerk Maxwell Telescope)、次毫米波数组(Submillimeter Array)

C:大型毫米波望远镜Alfonso Serrano(Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano)

D:亚他加马探路者实验(Atacama Pathfinder Experiment)、阿塔卡玛大型毫米及次毫米波数组望远镜(ALMA)

E:南极望远镜(South Pole Telescope)

F:IRAM 30米望远镜(IRAM 30-meter Telescope)

「我们已经研究黑洞太久了,有时候很容易就会忘记,我们根本没有人真正见过黑洞。 」4月10日在华盛顿特区美国新闻记者俱乐部(National Press Club)召开的记者会上,美国国家科学基金会(National Science Foundation)的主席法兰西. 哥多华(France Cordova)这么说道。

「今天,我们很高兴能够宣布,我们看到了先前大家认为无法看到的天体,」哈佛-史密松天文物理中心(Harvard-Smithsonian Institute for Astrophysics)的计划负责人夏普. 多尔曼(Shep Doeleman)补充:「你们现在所见到的,就是事件视界存在的证据...... 现在我们终于能够亲眼看见黑洞了! 」

在4月10日出版的《天文物理期刊通讯》(Astrophysical Journal Letters)刊载了6篇论文,描述了这场观测壮举的过程,以及这张影像所揭露的诸多细节。 其中一个重点是我们可以更直接地计算出黑洞的质量,结果和先前根据周围环绕恒星的运动所推测的质量非常接近。 此外,这些数据还隐含了一些线索,让我们得知超大质量黑洞是如何喷发出以接近光速行进的巨大粒子喷流。

「这项成就真的很了不起! 甚至某种程度说来,让我们感觉到身为人类的卑微与渺小,」多尔曼表示:「大自然的精心策画,让我们看到了曾经以为不可见的东西。 」

从地球拍摄月球上的橘子

起初,事件视界望远镜的目标是位在我们银河系中心的超大质量黑洞──质量为太阳400万倍的人马座A*(Sagittarius A*),这与M87星系中心的黑洞相比,简直是小巫见大巫。 由于M87的黑洞距离我们最近,同时也是最大的黑洞之一,因此研究团队决定把望远镜也指向此处,希望最后能比较两个黑洞的性质。

要观测银河系中心的黑洞,反而比观测邻近星系团内的黑洞还要复杂一些,这也是为什么这次所发布的是M87的黑洞影像。

事件视界望远镜所拍摄的影像,与我们一般所见到像是哈伯太空望远镜(Hubble Space Telescope)拍摄的众多精采天文影像不同,并不是单一张的快照,而是利用干涉技术,结合了来自多个望远镜的观测结果,组合成一张影像。 当科学家同时使用多个望远镜观测同一个天体时,就可以将观测结果互相比较结合。 而所得到的观测结果,就会像是用一台口径相当于各个望远镜彼此距离的巨型望远镜进行观测。

为了解析这个超大质量黑洞──和周围的星系相比,它其实相当渺小──研究团队需要结合世界各地望远镜的力量。 最后,位于墨西哥、夏威夷、美国亚利桑那州、智利和西班牙与南极的八座望远镜瞄准了星系M87,它也是室女座星系团中心最大的星系。 这些望远镜组合成的网络,相当于一个口径相当于地球直径的望远镜。 当展开运作时,它能解析的物体,是哈伯望远镜所能看见的角度大小的万分之一。

「我们努力观测的目标在天空中其实非常、非常小,」身为事件视界望远镜影像团队的成员,美国加州理工学院(Caltech)的凯蒂. 布曼(Katie Bouman)解释:「大概就像是要从地球拍摄位在月球上的一颗橘子。 」

研究团队连续好几天以短波无线电波观测M87,这是因为电波能够穿透围绕在星系中心周围的尘埃和气体。 这次的观测目标,除了M87之外还有其他的天体,研究团队所收集到的数据量十分庞大──高达5 PB。 这么大的数据量,是无法透过网络传输的,唯一可行的方式是直接寄送硬盘。

研究团队成员之一、美国亚利桑那大学(University of Arizona)的丹. 马洛内(Dan Marrone)表示:「5 PB的数据量真的相当大,相当于长度为5000年的MP3档案,或者这么说吧,根据我看过的一项研究,相当于4万人一辈子自拍的档案加起来这么多。 」

要将来自不同天文台的观测数据结合,并不是件容易的事。 因此有四个团队分别利用不同的算法独立处理数据,并用不同的数据模型进行检验。 最后,每个团队所产生的影像十分相似,表示观测数据非常可靠,而且最后得到的影像也是尽可能准确了。 准确地说,这次所发布的影像,与研究团队这些年所仿真出的影像几乎没什么不同。

「这和我们预测的几乎是惊人地相似,」团队成员、荷兰阿姆斯特丹大学(University of Amsterdam)的莎拉. 马尔科夫(Sera Markoff)说:「我总是在闲暇时间在手机上看着这张影像。 」

研究团队打算在不久之后,发布另一个离我们地球最近的超大质量黑洞影像。 不过,虽然人马座A*黑洞更近一些,但可别期待这个黑洞的影像会比目前发布的这张M87黑洞影像更为清晰。

「M87的距离比银河系中心远了2000倍,但它的黑洞也比银河系中心的黑洞大了约2000倍,」英国剑桥大学(University of Cambridge)的教授及英国皇家天文学家马丁. 里斯(Martin Rees)爵士说:「因此它们在天空中看起来的大小是一样的。 」

65亿颗闪耀的太阳

现在有了这张影像之后,科学家就可以开始探索黑洞物理中更深的奥秘,像是确认黑洞的基础性质。

里斯表示:「我们很想从这些观测中知道的是,这些黑洞的性质是否真如爱因斯坦所预测的那样呢? 」

目前从某种程度上来说,爱因斯坦似乎是对的。 尽管这位著名的物理学家对黑洞是否真正存在,一直抱持着怀疑的态度,但是他在1915年发表广义相对论的方程序的数学解曾经这么预言,如果这种超大质量的天体在宇宙中广泛存在,那么它们应该是球形的,就像是嵌在一圈光亮中的一团黑影。

永远吃不饱的怪兽

虽然黑洞的名称意味着虚空,但它其实是宇宙中密度最大的天体,因此有巨大的引力。 恒星级黑洞是由大质量恒星坍塌所形成,能将十个太阳的质量压缩到纽约市的大小。 而星系中心的超大质量黑洞,质量可能达到太阳的数十亿倍,它们的起源至今仍是未解之谜。

M87星系

1781年,天文学家查尔斯. 梅西耳(Charles Messier)在室女座中发现了一个亮点,即梅西耳87(M87)。 M87星系远在5500万光年之外,包含着几兆颗恒星。 在这个星系的中心,有个非常致密的无线电波源:质量约相当于65亿颗太阳的超大质量黑洞。

1. 奇异点:根据爱因斯坦的方程序,在黑洞中心,整个恒星的质量会坍塌成一个密度无限大、零维度的点,这就是奇异点(singularity)。 奇异点可能实际可能并不存在,但在我们对重力的理解中,奇异点指的是数学上的一个洞。

2. 事件视界:事件视界在M87黑洞周围向外延伸至少约113亿公里,在这个界限之内,连光都无法逃出黑洞的重力。

3. 静止极限:黑洞的自转会扭曲空间,使周围物质的绕行速度加快或减慢。 静止极限(static limit)是指在这个轨道上的物体相对于黑洞的自转速度以光速运动,看起来像是处于静止的状态。

4. 吸积盘:在M87黑洞的周围有一圈盘状的超热气体和尘埃,以接近光速旋转。 盘面散发出热、电波噪音和巨大的X射线闪焰──其中有些甚至延伸超过10万光年。

5. X射线喷流:天文学家在一百多年前,就发现了来自于M87的「直射光线」。 当绕着中心黑洞旋转的超热气体沿着强烈的磁力线射出时,就会形成这种强烈的喷流。 当电子沿着这些磁力线旋转时,就会产生从无线电到X射线等各种波长的辐射。

M87中的黑洞影像的确与爱因斯坦的预言相符,不过外侧的一圈亮光有些不均匀,看起来像是个膨胀的甜甜圈似的。 不过,这也在预料之中。 环绕在黑洞周围的物质形成了发光的圆盘,由于这个圆盘的一侧朝向我们运动,因此这部分看起来就会比较明亮。

「整个东西都在运动,因此有某部分应该会是朝向我们发光──这也是电影《星际效应》(Interstellar)搞错的地方! 」马尔科夫说,指的是2014年的这部电影所描绘出的黑洞景像。 「看着这张影像时,很难理解到你正望向时空中的某个深穴。 」她补充说。

研究团队根据M87黑洞的事件视界,计算出这个黑洞的质量大约相当于65亿颗太阳,这和根据绕其旋转的恒星运动而间接估测的质量范围恰好相符。 不过问题在于,这个结果远比用环绕黑洞旋转的气体运动估算出的质量大得多,而后者是一种较简单、也是科学家较常用来估测黑洞质量的方法。 如果之前的这个方法不太管用,那么科学家得要搞清楚背后原因才行。

「我们正在扩充这类能够根据气体动力学方法计算的星系,因此现在可能就是个关键时刻,应该要将这种方法进行适当的校准。 」美国普林斯顿大学(Princeton University)的天文物理学家珍妮. 格林(Jenny Greene)表示。

但是,尽管这次所得到的最新数据能帮我们计算出黑洞的质量,但要研究团队判断M87黑洞的事件视界延伸到多远,还是有些困难。 就像是我们经常看到的阴影或是轮廓边缘通常会很模糊,这张影像中的黑圈也是如此。 计算这个黑洞直径所需要的一些参数目前都还是未知数,像是黑洞自转的速度有多快,自转轴在太空中的确切指向。

如果把这个黑洞放在我们的太阳系里,它的事件视界会比冥王星的轨道还要远,可能比地球与太阳距离的120倍还更远。

有意思的是,这表示如果你穿过M87黑洞的事件视界,却可能感觉不出有任何异状。 因为这个黑洞实在是太巨大了,此时的时空弯曲幅度非常小,M87黑洞的巨大引力对你全身上下──从头部到脚趾──的引力可能是相同的。 但是,当你再接近黑洞一点,时空曲率会增加,直到你被拉扯成一根垂直而细长的意大利面。 (这时你肯定会觉察出来,因为你会开始感觉到不太舒服。 )

向外喷射

没有人知道黑洞的中心──奇异点──到底是否有任何东西存在。 在宇宙这块绒布上的这个刺孔周围是弯曲的奇特时空,任何东西都无法逃脱。
不过,这张黑洞的最新影像能帮助科学家更了解M87黑洞的外侧,尤其是黑洞所喷发出接近光速的高能粒子。 M87黑洞外侧可见的喷流范围约为4900光年,是我们周遭宇宙中的一个引人注目的奇观。

黑洞会把物质抛射到太空之中,听起来似乎与黑洞只会吸入物质的想法有些矛盾。 不过,如果黑洞这样奇特的天体没那么令人困惑,那才奇怪呢!

「黑洞不但很会吸引物质,它推开物质、形成风和喷流的能力也是一流的。 」

加拿大麦基尔大学(McGill University)的戴露. 哈加德(Daryl Haggard)说。 她指出,科学家真的还不太了解黑洞产生喷流的机制。

藉由观测光和物质的交界以及M87黑洞的事件视界,或许会帮助科学家解开这个神秘的过程。 先前曾有好几个天文台曾对准了黑洞,用不同电磁波谱的波长研究它,试图解开黑洞喷流的动力来源。

马尔科夫表示,这种喷流似乎起源于环绕事件视界周围的物质圆盘中,称作「动圈」(ergosphere)的区域。 在动圈中时空永不静止,永远在不停地旋转。 在这个环境里的磁场非常强烈,气体被加热到上百万度,各种粒子以近乎不可能的速度飞掠。 这些因素在微观尺度上的交互作用,似乎激发了喷流中蕴含的巨大能量。

马尔科夫说,M87黑洞有着活跃的喷流,而我们银河系的黑洞则较为安静,在我们得到银河系中心黑洞的影像并与M87黑洞相互比较之后,「我们就能更了解黑洞的兴衰,对宇宙漫长的历史有什么样的影响了。 」




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