【原】回顧2019：科學(xué)家們拍攝到的人類第一幅黑洞影像

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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黑洞看上去是什么樣的？什么望遠(yuǎn)鏡能做這樣的觀察？觀測(cè)中可能遇到什么問(wèn)題？

2019年4月10日，世界各地的天文學(xué)家們正鼓足干勁，大膽嘗試拍攝第一張黑洞圖像。這一大膽的想法需要國(guó)際合作來(lái)構(gòu)建一架口徑如地球大小的望遠(yuǎn)鏡，并可能徹底改變我們對(duì)引力的認(rèn)識(shí)。

圖解：位于M87中心的超大質(zhì)量黑洞，推估質(zhì)量達(dá)太陽(yáng)的數(shù)十億倍。這是人類史上第一張直接對(duì)黑洞觀測(cè)的天文影像，由事件視界望遠(yuǎn)鏡所拍攝，發(fā)表于2019年4月10日。

那么黑洞實(shí)際看上去是什么樣的？什么望遠(yuǎn)鏡能做這樣的觀察？觀測(cè)中可能遇到什么問(wèn)題？

黑洞看上去是什么樣的？

天文學(xué)家們認(rèn)為，大部分像我們銀河系這樣的星系的中心都有特大質(zhì)量黑洞。特大質(zhì)量是一個(gè)官方術(shù)語(yǔ)，它表示太陽(yáng)質(zhì)量的幾十萬(wàn)到幾十億倍。銀河系中心的特大質(zhì)量黑洞是人馬座A*，它的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍，卻擠在一個(gè)直徑不到日地距離三分之一的空間里。

圖解：大麥哲倫云面前的黑洞（中心）的模擬視圖。請(qǐng)注意引力透鏡效應(yīng)，從而產(chǎn)生兩個(gè)放大，以星云最高處扭曲的視野。銀河系星盤出現(xiàn)在頂部，扭曲成一個(gè)弧形。

盡管黑洞如預(yù)期那樣普遍存在，以及在我們銀河系后院里也有一個(gè)特大質(zhì)量黑洞，從未有人直接描繪過(guò)黑洞。因?yàn)閺暮诙催@一名稱可知，它們是黑的，意味著它們?nèi)绱顺砻芤灾劣诠饩€無(wú)法逃離。在愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論方程中，預(yù)言了在如此稠密物體的周圍，引力牽引作用非常強(qiáng)，會(huì)使它們周圍的空間彎曲，導(dǎo)致光線遵循彎曲的路徑。

德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西進(jìn)一步斷定，當(dāng)你逐漸接近一個(gè)黑洞，這種彎曲終究會(huì)變得如此強(qiáng)烈，以至于光線會(huì)折回黑洞內(nèi)部，不能逃離。這一標(biāo)志著不能返回的邊界被稱為事件視界，有時(shí)也被稱為史瓦西半徑。不論勞倫斯·菲什伯恩（電影《黑洞表面》演員）告訴你什么，一旦你越過(guò)黑洞的事件視界，你就再也回不來(lái)了。不過(guò)，你還是可以看看我上一集講掉進(jìn)黑洞里會(huì)發(fā)生什么。

即使沒(méi)有直接的觀測(cè)結(jié)果，我們也能根據(jù)觀察以不同方式推斷出黑洞的存在。追蹤圍繞銀河系中心運(yùn)行的恒星的運(yùn)動(dòng)，舉個(gè)例子，為了解釋那些恒星移動(dòng)的速率，科學(xué)家們揭示出有一個(gè)巨大但那光學(xué)上不可見(jiàn)的物體存在于那里。天文學(xué)家安德里亞·蓋茲領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)工作的大部分工作，你可以在她的研究小組的網(wǎng)站上觀看這些圍繞銀河系中心特大質(zhì)量黑洞的恒星運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)畫。

如果特大質(zhì)量黑洞正在積極地吸積物質(zhì)，我們也能間接看到它們。當(dāng)物質(zhì)掉入黑洞，會(huì)形成一個(gè)非常熱的漩渦盤。當(dāng)新加入的物質(zhì)撞擊圓盤，會(huì)以X射線形式放出高能光子，那樣就可以被觀測(cè)到。當(dāng)然，去年一個(gè)全新的觀測(cè)方法被引入，首次引力波探測(cè)，揭示了兩個(gè)正在合并的中等質(zhì)量黑洞。

圖解：人馬座A*（中央）與兩個(gè)光回波（圈內(nèi)）

但是所有這些方法只能間接觀測(cè)黑洞。4月5日至4月14日進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將試圖直接描繪我們黑洞（人馬座A*）的事件視界。當(dāng)類似氣態(tài)和塵埃的物質(zhì)接近黑洞，它會(huì)加速并釋放能量，在事件視界的位置可以看到環(huán)形或新月?tīng)?。黑洞?huì)給環(huán)的一部分投上陰影，陰影暗藏著黑洞質(zhì)量和尺寸的線索。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)這些陰影的形狀為圓形，這是對(duì)觀測(cè)結(jié)果能被直接測(cè)量的預(yù)言。

什么望遠(yuǎn)鏡能觀測(cè)黑洞？

什么望遠(yuǎn)鏡能做這樣的觀察？天文學(xué)家們需要一架口徑如地球大小的望遠(yuǎn)鏡，他們通過(guò)使用多個(gè)望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)來(lái)達(dá)到這一目標(biāo)，這些望遠(yuǎn)鏡遍布全球，從南極到亞利桑那州，從夏威夷到西班牙。這一望遠(yuǎn)鏡陣列，包括最近位于智利沙漠中的阿塔卡瑪大型毫米波天線陣列，被統(tǒng)稱為事件視界望遠(yuǎn)鏡。所有這些望遠(yuǎn)鏡都工作在1.3毫米波長(zhǎng)，換句話說(shuō)，將在射電波段收集數(shù)據(jù)，這種波長(zhǎng)能夠穿透已知環(huán)繞我們（銀河系）中心黑洞的厚塵埃。

“天文學(xué)家們將需要一架口徑如地球大小的望遠(yuǎn)鏡。”

每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)將儲(chǔ)存在硬盤上，然后通過(guò)飛機(jī)送往波士頓附近的MIT海斯塔克天文臺(tái)。在那里，信號(hào)通過(guò)一臺(tái)相當(dāng)于約800個(gè)CPU互連的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行合并。更多關(guān)于天文學(xué)家如何將多個(gè)小型望遠(yuǎn)鏡合并成一個(gè)大型望遠(yuǎn)鏡的信息，請(qǐng)查看我鈦物理播客上關(guān)于干涉測(cè)量學(xué)的作品。

之所以要用到如此多的望遠(yuǎn)鏡，是為了創(chuàng)造良好的觀測(cè)條件，一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡可以達(dá)到的角分辨率同它的口徑有關(guān)。望遠(yuǎn)鏡越大，或者本案中，望遠(yuǎn)鏡陣列里單個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間的距離越遠(yuǎn)，在天空中就能看到更精細(xì)的細(xì)節(jié)。即將進(jìn)行的觀測(cè)有望達(dá)到小于50微秒的分辨率，相當(dāng)于你在紐約的一所公寓里，能夠近距離感到坐在洛杉磯那兒的桌旁讀25美分硬幣上的字。相比之下，它的分辨率是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所見(jiàn)的2000倍。

存在什么問(wèn)題？

雖然射電波段的觀測(cè)最有可能穿透黑洞周圍的塵埃，地球大氣里的水汽仍能影響結(jié)果圖像的清晰度。眾多不同的望遠(yuǎn)鏡介入，要求每個(gè)地點(diǎn)的天氣都是晴朗的。

每一個(gè)數(shù)據(jù)集都被印上時(shí)間標(biāo)記，然后發(fā)送到超級(jí)望遠(yuǎn)鏡集中處理。來(lái)自不同望遠(yuǎn)鏡的信息最后集合在一起需要非常精確的原子時(shí)鐘。時(shí)鐘是特制的氫原子鐘。這些時(shí)鐘必須達(dá)到每秒誤差小于一皮秒的精度。

觀測(cè)后的數(shù)據(jù)處理量如此之大，以至于2018年仍得不到最終圖像。但這將對(duì)我們理解像引力這樣基礎(chǔ)的概念起著重大影響。

事件視界真實(shí)存在嗎?關(guān)于光在極端引力存在下如何表現(xiàn)的理論正確嗎?黑洞是如何吸積壯大自己的?天文學(xué)家們觀察到的大規(guī)模準(zhǔn)直等離子體噴流在黑洞周圍是如何形成的?

如果實(shí)驗(yàn)成功，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的科學(xué)家們計(jì)劃將觀測(cè)目標(biāo)定位于巨型橢圓星系M87中心的特大質(zhì)量黑洞。盡管距離更遠(yuǎn)，這一黑洞的質(zhì)量估計(jì)是太陽(yáng)質(zhì)量的60億倍，也就是人馬座A*質(zhì)量的1500倍。愛(ài)因斯坦的理論還正確嗎？敬請(qǐng)期待……

相關(guān)知識(shí)

位于銀河系中心，被認(rèn)為是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。人馬座A*可能就是此超大質(zhì)量黑洞的位置。圍繞人馬座A*的星體的速度比銀河系內(nèi)其他星體的速度都要高。其中一顆稱為S2的星體，就是以秒速5000公里圍繞人馬座A*。

參考資料

1.WJ百科全書(shū)

2.天文學(xué)名詞

3. quickanddirtytips- Perry- Sabrina Stierwalt

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