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看明白人类首张“黑洞”图,你要弄懂这十个问题

时间:2019-04-11 09:19:19  来源:新京报  作者:李玉坤 王俊  浏览量:; 字体设置:
热点导读:   新京报快讯(记者 李玉坤 王俊)4月10日晚,人类首张黑洞照片“冲洗”完成,多国科学家在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿

  新京报快讯(记者 李玉坤 王俊)4月10日晚,人类首张黑洞照片“冲洗”完成,多国科学家在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿6个地方同步发布。

  室女座星系团中超大质量星系 Messier 87中心的黑洞图像。图源:中科院之声

  该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系Messier 87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”。

  一、黑洞是什么,概念是谁提出的?

  中科院国家天文台研究员苟利军说,对于黑洞的认识经历了一个漫长的过程。

  理论上,黑洞?#21069;?#22240;斯坦广义相对论预言存在的一种天体。它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围。

  不过,黑洞的概念最早出现在1798年。拉普拉斯根据牛顿力学计算,一个直径为太阳250倍而密度与地球一样的天体,其引力足以捕获其发出的光线而成为一个暗天体,也称为“暗星”。

  1915年,爱因斯坦广义相对论诞生。1916年,史瓦西给出了广义相对论的第一个严格解释,他发现所有的星体?#21363;?#22312;一个史瓦西半径,如果星体的?#23548;?#21322;径?#20154;?#30340;史瓦西半径要小,那?#27492;?#23601;会变成一个黑洞。比如,太阳的史瓦西半径是3千米。

  1939年,奥本海默根据广义相对论证明当天体的质?#30475;?#20110;临界质量时,引力坍塌后不可能达到任何的稳态,只能形成黑洞。黑洞有两种,轴对?#39057;?#20811;尔黑洞和球对?#39057;?#21490;瓦西黑洞。

  1974年,霍金证明黑洞具有与其温?#35748;?#23545;应的热辐射,称为“黑洞辐射”。黑洞的质量越大,温度越低,发射过程就越慢。

  二、在人类给黑洞“拍照”前,怎么确认黑洞?

  之前怎么确认黑洞?苟利军表示,在这?#38395;?#29031;前,天文学家们通过各种间接证据表明了黑洞的存在。

  比如,恒星、气体的运动透?#35835;?#40657;洞的踪迹,黑洞有强引力,对周围的恒星、气体会产生影响,于是我?#24378;?#20197;通过观测这种影响来确认黑洞的存在,也可以根据黑洞吸积物质发出的光来判断黑洞的存在,再就是通过看到黑洞成长的过程发现黑洞。

  1970年,美国的“自由”号人造卫星发现位于天鹅座X-1上一个比太阳重30多倍的巨大星球,被一个重约10个太阳的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞,这是人类发现的第一个黑洞。

  中科院国家天文台研究员刘继峰领导的国际团队在世界上首次成功测?#24247;絏射线极亮天体的黑洞质量,研究成果2013年11月28日发表在国际权威杂志《自然》上。他们在3个月的时间跨度上对漩涡星系中X射线极亮源M101ULX-1进行了研究,并确认其中心天体为一个质量与恒星可比拟的黑洞。这个黑洞加伴星形成的黑洞双星系统位于2200万光年之外,是人类迄今发现的距离地球最遥远的黑洞双星。

  三、什么叫“?#24405;?#35270;界”和“?#24405;?#35270;界望远镜”?

  黑洞几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,并在周围形成一个?#30475;?#30340;引力场,在一定范围之内,连光线都无法逃脱。光线不能逃脱?#29287;?#30028;范围被称为黑洞的半径或“?#24405;?#35270;界”,?#27493;?ldquo;视界面”。

  现在望远镜的半?#23545;?#36896;越大,我国的FAST已经有500米口径,已经发现了很多脉冲星。但是,要想观测遥远黑洞,依靠目前任何单个望远镜都还?#23545;?#19981;够。2017年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?#21152;?#20840;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。苟利军说,在2017年8个不同的望远?#21040;?#34892;观测的基础上,2019年又加了一个望远镜。

  “?#24405;?#35270;界望远镜”就是利用“甚长基线干涉?#38469;?rdquo;(VLBI) 和全球多个射电天文台的协作,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜。

  四、“连光都逃不出来”,这次如?#25991;?#25293;到黑洞?

  苟利军解释,“连光都逃不出来”指的是黑洞里面的情况,这?#38395;?#25668;的是黑洞周围、?#24418;?#25481;入黑洞的气体所产生的光线和辐射。

  “类似于星际穿越的电影中,中间有黑色的区域,外围有黑色的?#19981;分?#31867;的,在外部亮的?#19981;?#30340;衬托下,我们将中间黑色的区域称之为‘黑洞的阴影’。”苟利军说。

  星际穿越中黑洞巨大的吸积盘吸引了很多观众,并被称为最接近黑洞的想象。

  不过,苟利军表示,因为谁?#27982;?#26377;“看”到黑洞的照片,之前的图像都是想象和推测出来的。“广义相对论在很多情形下验证是正确的,如果广义相对论是正确的,那么我们看到的应该就是这种”。

  五、这?#38395;?#21040;了哪个黑洞的照片?

  这?#38395;?#25668;的主要是两个超大质量黑洞,一是银河系中心黑洞Sgr A*,二是位于星系M87中的黑洞。之所以选定这两个黑洞作为观测目标,是因为它们的视界面在地球上看起来比较大。

  Sgr A*黑洞的质?#30475;?#32422;相当于400万个太阳,所对应的视界面尺寸约为2400万公里,相当于17个太阳的大小。但因为过于遥远,依然看上去像是站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子。

  M87位于室女座,M87距离太阳系约5000万光年。M87中心黑洞的质?#30475;?#21040;了60亿个太阳质量,尽管与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远,但因质量庞大,所以它的视界面跟Sgr A*大小差不多。

  而今晚公布的是M87中的黑洞。

  六、给“黑洞”拍照,有什么?#35759;齲?/strong>

  最开始的8个望远镜分别是:南极望远镜;位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵;位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜;位于墨西哥的大型毫米波望远镜;位于美国亚利桑那州的亚毫米波望远镜;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;位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜。

  要保证所有8个望远镜都能看到这两个黑洞,观测窗口期非常短暂,每年只有大约10天时间,2017年只有4月5日到4月14日合适。

  苟利军说,这些望远镜都是在亚毫米波波段,通常需要在海拔比较高的地方来减少大气中水汽对于亚毫米光子的影响。比如说位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵的海拔就有5000多米。据了解,该望远镜耗资140亿美元,灵敏度是目前单阵列当中最高的。

  七、2017年拍的照片,为何要“冲洗”这么长时间?

  苟利军说,虚拟的大望远镜阵列并非直接拍出了黑洞的图像,而是给出了许多数据,必须经历复杂的计算机处理过程。

  因为有8个不同的望远镜,每一个望远镜收到的数据量都非常大,苟利军说,总的加在一起差不多有10个PB。现在一般的笔记本电脑的硬盘是1TB,这些望远镜为此次观测接收的数据,可以?#22885;?万多个笔记本。

  此外,在2017年4月?#29287;?#21512;观测以后,研究团队还进行了一些数据收集和校准的工作。苟利军说,科学家需要对望远?#21040;?#21463;的光子进行定标,确保不同望远?#21040;?#25910;到的光子是来自于同一时刻,最后才能将所有图像进行叠加。其中还有些?#31508;?#25110;模糊的部分,需要科学家们拼图。

  光既有波动?#26434;?#26377;粒?#26377;裕?#35266;测到的每一时刻波动性非常强,所以要对每一时刻接受的相位进行相位校对。苟利军给了一个形象的比喻。“比如我们在拍照片的时候,?#21482;?#21160;的话,相片会模糊掉。这跟照相机的工作模式有关系,照相机曝光时间如果非常短的话,比我们?#21482;?#21160;速度快很多的时候才能?#37027;?#26970;,这就是为何要用高速摄像机拍摄运动员奔跑的形象。如果用普通照相机拍摄,会得到一个模糊的照片。”

  八、之前听见“黑洞”合并的声音,是什么意?#36857;?/strong>

  2015年9月14日,“激光干涉引力波天文台”?#29287;?#20010;探测器捕捉到13亿年前双黑洞系统合并产生的引力波转化成的宇宙之声。这一发现获得了2017年的?#24403;?#23572;?#20445;?#35780;选委员会表示,宇宙中曾有两个黑洞发生碰撞,所产生的引力波跨越漫长时空,在2015年9月14日被位于美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)项目探测器探测到,这是人类历史上首次直接探测?#25581;?#21147;波。

  为什么能够听见“黑洞”合并的声音?

  苟利军说,引力波是完全不同的观测模式,观测的频率是在我们人类听觉的频率范围之内。大概是从几百赫兹到上千赫兹,这就是为何称之为“听见”黑洞合并的时候的声音。

  九、这次观测对于科学研究有哪些意义?

  苟利军说,因为是第一次看到黑洞,所?#26376;?#36275;了我们对黑洞模样的好奇。另外从科学的角?#28982;?#21487;以提供很多信息,帮助我们了解气体在黑洞内区真正的运动状态。

  “之前根据研究,知道黑洞周边一些很壮观的现象,比如喷流等,还知道了黑洞的质?#20426;?#36716;动等性质。但是,之前没有很好的方式去了解,虽然有一些方法,但可能有误差,也不知道是?#30343;?#20934;确。因为不同的模型得到的结果往往偏差很大,相差几倍在天文学中是很正常的。有了这幅图片,科学中一些与黑洞有关的悬而未决的问题,就有了解决的可能。”

  十、看见“黑洞”,外星人呢?

  对于这次“黑洞”照片公布,平行世界、外星人?#28982;?#39064;再?#28982;?#29190;。

  苟利军说,黑洞跟外星人没有任何关系,不知道为何大众会将外星人跟黑洞联系在一起,他认为是没有任何科学依据的。

  没有外星人,黑洞里有什么呢?

  苟利军说,物质在被黑洞吞噬的过程当中,首先会被?#27627;?#25104;最基本?#29287;?#23376;,然后很可能在黑洞内又进一步发生其他的物态变化。经典的理论认为,掉到黑洞里的物质都会朝着中心的奇点运动,最后聚集在那里。随着聚集的物?#35797;?#26469;越多,质量也会变得越来越大,黑洞的半径也会变得越来越大。

  新京报记者 李玉坤 王俊

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