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關(guān)于“攝獵”黑洞的八大天問
2019-04-13 07:15:38 來源: 人民日報海外版
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  北京時間4月10日,人類首張黑洞照片在全球六地的視界望遠(yuǎn)鏡發(fā)布會上同步發(fā)布。經(jīng)過漫長的等待,在全球200多位科學(xué)家的努力之下,第一幅黑洞照片新鮮出爐。

  長久以來在電腦上模擬得到的黑洞形象,第一次真實地呈現(xiàn)在我們的眼前。在這張來自視界望遠(yuǎn)鏡的照片里,M87中心黑洞如同電影《指環(huán)王》中索倫的魔眼,在溫暖而神秘的紅色光環(huán)中間,是一片深黑的無底之洞。

  這個圓環(huán)的一側(cè)亮一些,另一側(cè)暗一些,原因在于吸積盤的運(yùn)動效應(yīng)——朝向我們視線運(yùn)動的區(qū)域因為多普勒效應(yīng)而變得更亮,遠(yuǎn)離我們視線運(yùn)動的區(qū)域會變暗。中間黑色的區(qū)域就是黑洞本身——光線無法逃離之處。

  1968年,美國天體物理學(xué)家約翰·惠勒提出了“黑洞”的概念,而100多年前德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西就為黑洞作出了精確解。今天我們收獲了第一張黑洞的照片,人類對黑洞和宇宙的認(rèn)識又邁出了關(guān)鍵一步。

  在2017年4月全球數(shù)個射電望遠(yuǎn)鏡陣列組成虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)并拍下第一張黑洞照片之時,我們就曾寫到:“人類第一次看到黑洞的視界面,無論我們最終得到的黑洞圖像是什么樣子——是像電影畫面一般壯觀恢弘,或者只有幾個模糊的像素點——事件視界望遠(yuǎn)鏡都意義非凡,這是我們在黑洞觀測史上邁出的重要一步。觀測結(jié)果不僅僅是一張照片那么簡單,它一方面呼應(yīng)著愛因斯坦的廣義相對論,另一方面也將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產(chǎn)生并影響星系演化的。我們將成為有史以來第一批‘看見’黑洞的人類,真是好運(yùn)氣?!?/p>

  兩年之后,這張寶貴的照片終于呈現(xiàn)在我們眼前,同時它讓我們思考下面的一些問題。

  ①這張值得全世界六地同時興師動眾發(fā)布的照片,究竟是怎么拍出來的?

  在過去10多年間,美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們聯(lián)合了其它研究機(jī)構(gòu)的科研人員,開展了激動人心的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項目,全球多地的一系列亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡同時對黑洞展開觀測。

  事件視界望遠(yuǎn)鏡由位于四大洲的數(shù)個射電望遠(yuǎn)鏡所組成,構(gòu)建了一架和地球大小相當(dāng)?shù)耐h(yuǎn)鏡。它們北至西班牙,南至南極,向選定的目標(biāo)撒出一條大網(wǎng),撈回海量數(shù)據(jù),以勾勒出黑洞的模樣。

  事實上,亞毫米波段和我們非常熟悉的可見光有著天壤之別。這個波段我們是無法直接看到的,利用亞毫米波段給黑洞拍照,其實就是得到黑洞周圍輻射的空間分布圖。

  對于我們?nèi)粘=佑|的光學(xué)照片來說,它反映的是光學(xué)波段不同顏色或者頻率的光子在不同空間位置上的分布情況。明白了這一點以后,我們就很容易理解亞毫米波段“黑洞照相館”的原理了。

  雖然是在單個頻率進(jìn)行亞毫米波段觀測,但由于黑洞周圍不同區(qū)域的光子所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度不同,我們可以得到一個光子強(qiáng)度分布圖,然后我們假定不同的強(qiáng)度對應(yīng)著不同的顏色,就能夠得到一幅“偽色圖”——圖中的顏色很可能是科學(xué)家根據(jù)個人喜好自行設(shè)定的顏色。

  ②電影《星際穿越》中的“卡岡圖雅”黑洞有著深不見底的黑色中心與立體清晰的氣體圓環(huán),此次發(fā)布的照片里的M87為何模糊許多?

  與光學(xué)照片一樣,清晰度根源于分辨率。要提高望遠(yuǎn)鏡分辨率,可從兩方面努力:一是降低觀測頻段光子的波長(等價于增強(qiáng)能量),二是增加望遠(yuǎn)鏡的有效口徑。利用全球不同地方的望遠(yuǎn)鏡聯(lián)網(wǎng),我們得到了一個口徑超大的望遠(yuǎn)鏡,并在相關(guān)技術(shù)相對成熟的射電波段內(nèi),選擇了能量最高的毫米和亞毫米波段。

  值得注意的是,有效口徑取決于望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)中相距最遠(yuǎn)的兩個望遠(yuǎn)鏡之間的距離。2017年,一系列亞毫米波望遠(yuǎn)鏡加入觀測,2018年北極圈內(nèi)格陵蘭島的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡加入,基線長度增加,提高了分辨率。

  雖然我們現(xiàn)在的亞毫米望遠(yuǎn)鏡基線已達(dá)到了1萬公里,但空間分辨率剛達(dá)到黑洞視界面的尺寸,所以在科學(xué)家們觀測的有限區(qū)域內(nèi),就相當(dāng)于只有有限的幾個像素。在《星際穿越》中,天文學(xué)家基普·索恩設(shè)想的黑洞形象——包括吸積盤的許多具體細(xì)節(jié)——都通過技術(shù)手段呈現(xiàn)了出來,然而在真實的情況下,我們在照片中只能看到吸積盤上的幾個亮斑而已。

  既然我們可以將兩個望遠(yuǎn)鏡放置得很遠(yuǎn)實現(xiàn)更高分辨率,那么能否只用兩個望遠(yuǎn)鏡來完成黑洞照片呢?很遺憾,不行。觀測要求的不僅僅是分辨率,還有靈敏度——高分辨率可以讓我們看到更多的細(xì)節(jié),而高靈敏度則能夠讓我們看到更暗的天體。

  ③視界望遠(yuǎn)鏡2017年開始拍攝,近日才發(fā)布成果,為什么這張“簡單”且“模糊”的照片“沖洗”了兩年之久?

  首先,望遠(yuǎn)鏡觀測到的數(shù)據(jù)量非常龐大。2017年,望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)量達(dá)到了10PB(10240TB),2018年又增加了格陵蘭島望遠(yuǎn)鏡,數(shù)據(jù)量繼續(xù)增加。龐大的數(shù)據(jù)量使處理的難度不斷加大。

  其次,在數(shù)據(jù)處理的過程當(dāng)中,科學(xué)家也遭遇了不少技術(shù)難題——黑洞附近的氣體處于一種極端環(huán)境當(dāng)中,其運(yùn)動有著非常多的不確定性——為了解決這些問題,科學(xué)家們還專門開發(fā)了特定的程序和工具。

  再次,為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性,在最終數(shù)據(jù)處理的時候,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家們在兩個不同的地方分別處理、分別驗證。全世界范圍內(nèi)設(shè)立了兩個數(shù)據(jù)中心,一個是位于美國的麻省理工學(xué)院,另外一個是位于德國的馬普射電所。二者彼此獨立地處理數(shù)據(jù),也彼此驗證和校對,保證了最終結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

  ④黑洞研究歷時已久,4年前引力波已經(jīng)讓我們“聽”到了來自黑洞合并的聲音,為什么直到今天我們才“看”到黑洞的照片?

  簡單地說是因為黑洞區(qū)域?qū)嵲谔×恕巴h(yuǎn)鏡角分辨率或者放大倍數(shù)不夠,在過去幾年中,我們才真正實現(xiàn)了能夠看到黑洞附近區(qū)域的分辨能力。

  其實,早在2017年進(jìn)行全球聯(lián)網(wǎng)觀測之前,全球很多科學(xué)家已經(jīng)為此努力了十多年的時間,并且利用望遠(yuǎn)鏡陣列當(dāng)中的幾個進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)嘗試,探測了銀河系黑洞附近的區(qū)域,結(jié)果確實在亞毫米波段探測到了周圍的一些輻射,這給了團(tuán)隊很大的信心。

  在此之前,盡管科學(xué)家們已經(jīng)掌握了很多證明黑洞確實存在的電磁觀測數(shù)據(jù),但是這些證據(jù)都是間接的——少數(shù)科學(xué)家會提出一些怪異的理論來作為黑洞的替代物,因為我們并沒有直接觀測到黑洞的模樣。

  2016年探測到的雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波,更是讓人們愈加相信黑洞的存在。但引力波是類似于聲波的“聽”的方式,而電磁方式是一種“看”的方式,對于更傾向于“眼見為實”“有圖有真相”的人類而言,以直觀的電磁方式探測到黑洞還是非常讓人期待的。所以,在2016年初引力波被直接探測到之后,視界面望遠(yuǎn)鏡并沒有放棄觀測,反而以全球聯(lián)網(wǎng)的方式,把這一探測技術(shù)推向了極致。

  ⑤如此大費(fèi)周章,除了滿足人們“眼見為實”的心愿,黑洞照片對于驗證相對論、揭秘星系演化有何意義?

  直接成像除了幫助我們直接確認(rèn)了黑洞的存在,同時也通過模擬觀測數(shù)據(jù)驗證了愛因斯坦的廣義相對論。在視界望遠(yuǎn)鏡的工作過程和數(shù)據(jù)分析過程中,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),所觀測到的黑洞陰影和相對論所預(yù)言的幾乎完全一致,令人不禁再次感嘆愛因斯坦的偉大。

  另外一個重要意義在于,科學(xué)家們可以通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質(zhì)量了。這次就對M87中心的黑洞質(zhì)量做出了一個獨立的測量。在此之前,精確測量黑洞質(zhì)量的手段非常復(fù)雜。

  受限于觀測分辨率和靈敏度等因素,目前的黑洞細(xì)節(jié)分析還不完善。未來隨著更多望遠(yuǎn)鏡加入,我們期望看到黑洞周圍更多更豐富的細(xì)節(jié),從而更深入地了解黑洞周圍的氣體運(yùn)動、區(qū)分噴流的產(chǎn)生和集束機(jī)制,完善我們對于星系演化的認(rèn)知與理解。

 ?、薇敬闻臄z所用的“黑洞照相館”可以給所有黑洞拍照片嗎?

  科學(xué)家之前探測黑洞,是通過探測黑洞周圍的吸積盤或者黑洞噴流產(chǎn)生的輻射,來間接地探測黑洞的存在。從理論上講,任何能夠產(chǎn)生輻射的黑洞都是適合拍照的,但受技術(shù)限制,我們只能選擇拍攝到那些看起來非常大的黑洞,這樣才有可能看到黑洞周圍的一些細(xì)節(jié)。

  視界望遠(yuǎn)鏡此次觀測其實選定了兩個目標(biāo):一個是我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞,質(zhì)量為450萬倍的太陽質(zhì)量,距離地球2.6萬光年;另外一個是位于M87星系中心的黑洞,其質(zhì)量為65億倍的太陽質(zhì)量,距離地球5300萬光年。

  黑洞半徑通常以史瓦西半徑來描述,與黑洞質(zhì)量成唯一正比關(guān)系,如果我們將視界大小定義為黑洞直徑和黑洞距離的比值,那么我們可以知道,銀河系中心黑洞的視界大小約為M87中心黑洞視界大小的1.4倍。這是我們知道的最大的兩個黑洞,而那些質(zhì)量只有幾十個太陽質(zhì)量的恒星級黑洞,盡管距離相對比較近,但是因為其質(zhì)量過小等因素,更難被望遠(yuǎn)鏡捕捉。

  ⑦既然銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞這么大、距離這么近,為什么這一次只發(fā)布了更為遙遠(yuǎn)的M87的照片,而沒有銀河系中心黑洞的照片呢?

  M87中心黑洞附近氣體活動比較劇烈,我們之前已經(jīng)觀測到了它所產(chǎn)生的強(qiáng)烈噴流,相較之下,銀河系黑洞的活動不那么劇烈。

  另外一個很重要的原因是,太陽系處在銀河系的銀盤上,在我們試圖利用視界望遠(yuǎn)鏡探測來自于黑洞周圍的輻射或光子的時候,這些光子會受到傳播路徑上星際氣體的影響——氣體會散射這些光子,將觀測結(jié)果模糊化。

  M87是一個包含氣體很少的橢圓星系,受到的氣體干擾相對少很多,科學(xué)家們可以比較順利地進(jìn)行觀測。我們在大氣層之內(nèi)觀測天體時也會有類似情況,因為大氣擾動的緣故,望遠(yuǎn)鏡的分辨率有時很難達(dá)到理想狀況。消除星際氣體散射的效應(yīng)是科學(xué)家接下來需要克服的一個重要難題。

 ?、嘀袊茖W(xué)家在“黑洞照相館”中發(fā)揮了什么作用?

  中國大陸的望遠(yuǎn)鏡并沒有直接參與到視界面望遠(yuǎn)鏡的觀測當(dāng)中,最直接的原因在于,中國大陸兩個建好的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡(一個是位于青海德令哈的13.7米望遠(yuǎn)鏡,另一個是位于西藏的CCOSMA望遠(yuǎn)鏡)不具備相關(guān)技術(shù)的聯(lián)網(wǎng)功能。但即使它們可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng),同步觀測也無法實現(xiàn),因為它們正好位于靈敏度非常高的ALMA陣列的背面位置。

  廣為人知的中國FAST天眼望遠(yuǎn)鏡也沒有機(jī)會參與到視界面望遠(yuǎn)鏡的觀測行列。首先,其工作波段不適宜;其次,其所處環(huán)境濕度較大,不適宜。亞毫米波光子很容易被大氣中的水蒸氣所吸收,視界望遠(yuǎn)鏡都位于海拔比較高而且干燥的地方,比如ALMA望遠(yuǎn)鏡就位于海拔5000多米的沙漠當(dāng)中。

  位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡是EHT聯(lián)合觀測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之一,有中國科研機(jī)構(gòu)參與其中,為視界望遠(yuǎn)鏡提供了必不可少的觀測保障。

  部分中國科學(xué)家也參與了后期的數(shù)據(jù)分析和討論,為世界上第一張黑洞照片做出了貢獻(xiàn)。(本文由中科院中國科普博覽微信公號與本版共同推出。作者為《黑洞來客》團(tuán)隊成員,其中茍利軍為中科院國家天文臺研究員、國家天文臺恒星級黑洞爆發(fā)現(xiàn)象研究創(chuàng)新團(tuán)組負(fù)責(zé)人。)

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【糾錯】 責(zé)任編輯: 唐斕
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