北京時(shí)間4月10日晚上21:00，人類史上第一張黑洞照片揭開了神秘面紗。
包括中國(guó)在內(nèi)，全球多地天文學(xué)家同步公布首張黑洞真容。這一由200多名科研人員歷時(shí)10余年、從四大洲8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)“捕獲”的視覺證據(jù)，有望證實(shí)愛因斯坦廣義相對(duì)論在極端條件下仍然成立。
01、什么是黑洞
理論上，黑洞是愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言存在的一種天體。它具有的超強(qiáng)引力使得光也無法逃脫它的勢(shì)力范圍，該勢(shì)力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。
黑洞(Black hole)這個(gè)名詞，是1968年由美國(guó)天文學(xué)家惠勒在一個(gè)報(bào)告里面提出的。
但有關(guān)黑洞的概念，早就有科學(xué)家通過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出來了。
比如，1796年法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯就在著作里寫了一段話：假如有一個(gè)恒星，密度跟地球一樣，而直徑比太陽(yáng)大250倍，那么它表面的逃逸速度將超過光的傳播速度。恒星本來應(yīng)該是發(fā)光的，但是從遠(yuǎn)方看這個(gè)恒星，它卻是絕對(duì)黑暗的，你不可能看到它。
關(guān)于黑洞，法國(guó)天文學(xué)家盧米涅也說過一段話，他說：“黑洞是恒星死亡后的一種殘骸，它是引力收縮的極點(diǎn)，極端到近乎荒唐(指它的一些性質(zhì)用現(xiàn)有的物理學(xué)知識(shí)無法解釋)。但它又是宇宙當(dāng)中最精美的天體。了解黑洞并深感困惑之后，會(huì)使我們進(jìn)入一個(gè)展示時(shí)間、空間、光和物質(zhì)深刻本質(zhì)的更加深邃的新視野?！?/p>
宇宙中，根據(jù)質(zhì)量天文學(xué)家們將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞(幾十倍至上百倍太陽(yáng)質(zhì)量)、超大質(zhì)量黑洞(幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上)和中等質(zhì)量黑洞(介于兩者之間)。
02、人類首次“看見”黑洞
這是人類第一次凝視曾經(jīng)只存在于理論中的天體——黑洞，一種體積極小、質(zhì)量極大的天體，如同一個(gè)宇宙“吞噬之口”，連光也無法逃逸。
露出真容的黑洞，位于室女座一個(gè)巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量約為太陽(yáng)的65億倍。它的核心區(qū)域存在一個(gè)陰影，周圍環(huán)繞一個(gè)新月狀光環(huán)。
百余年前，愛因斯坦的廣義相對(duì)論率先對(duì)黑洞作出預(yù)言，從此成為許多科幻電影的靈感源泉。科學(xué)家陸續(xù)通過一些間接證據(jù)證實(shí)了黑洞的存在，但人類始終沒有真正“看到”過黑洞。
質(zhì)量極其巨大的黑洞，是宇宙中的神秘存在。這次通過分布全球的觀測(cè)點(diǎn)組成一個(gè)口徑如地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡——黑洞事件視界望遠(yuǎn)鏡，順利實(shí)現(xiàn)在1.3毫米波長(zhǎng)的觀測(cè)，并經(jīng)過長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)分析，成功“捕獲”黑洞的影像。
由于需要極高的靈敏度，組成全球網(wǎng)絡(luò)的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡分布在多個(gè)高海拔地區(qū)，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點(diǎn)等。
“這些望遠(yuǎn)鏡的分辨率相當(dāng)于能在黑龍江漠河閱讀南沙群島上的一張報(bào)紙?！敝蟹娇茖W(xué)家、上海天文臺(tái)研究員路如森說。
“看”得遠(yuǎn)、“看”得清仍然不夠，給黑洞拍照還要“看”得準(zhǔn)?！坝^看電視節(jié)目要選對(duì)頻道，黑洞影像也必須在合適的波段才能觀測(cè)。”路如森說，最佳波段在1毫米附近，這一波段的黑洞光環(huán)最明亮，而背景“噪音”又最小。
03、什么是“事件視界望遠(yuǎn)鏡”
人類根本看不到黑洞，那又是怎么知道黑洞是真實(shí)存在的呢？
鑒于黑洞自身不發(fā)光，還會(huì)“吞噬”光，很難直接探測(cè)，科學(xué)家們只能采用一些間接方式來探測(cè)黑洞——比如觀察吸積盤和噴流。
電影《星際穿越》中的黑洞，周圍的亮環(huán)是由氣體構(gòu)成的吸積盤
1978年，法國(guó)天文學(xué)家盧米涅給出了黑洞事件視界的第一幅圖像。但這不是一張真正的照片，而是他利用自己的數(shù)學(xué)知識(shí)和相關(guān)技術(shù)以及60年代的一臺(tái)IBM 7040穿孔卡片計(jì)算機(jī)對(duì)黑洞景象進(jìn)行的電腦模擬。
利用電腦模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，盧米涅用鋼筆和印度墨水在底片上描繪黑洞，整個(gè)過程就像是一臺(tái)人體打印機(jī)。這幅模糊的圖像展示了觀察者靠得足夠近時(shí)看到的一個(gè)扁平盤內(nèi)物質(zhì)墜入黑洞的景象。
2017年4月5日，由位于南極、智利、墨西哥、美國(guó)夏威夷、美國(guó)亞利桑那州、西班牙的8臺(tái)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)黑洞展開觀測(cè)，利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)(VLBI)將這8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建成一個(gè)口徑等同于地球直徑的超級(jí)“虛擬”望遠(yuǎn)鏡——事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）。
位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(ALMA)望遠(yuǎn)鏡(圖片來源：ALMA官方網(wǎng)站)
此前，該項(xiàng)目宣布，用這一虛擬望遠(yuǎn)鏡“拍照”的重點(diǎn)對(duì)象是兩個(gè)黑洞，一個(gè)是位于銀河系中心的“人馬座α”，另一個(gè)位于代號(hào)為M87的超巨橢圓星系中心。
據(jù)介紹，黑洞照片的“沖洗”用了約兩年時(shí)間。
04、照片為什么“沖洗”了兩年
自2017年4月 EHT啟動(dòng)拍照，至今已經(jīng)約有兩年的時(shí)間了。為什么“黑洞”這張照片用了這么久才“沖洗”出來？
香港大學(xué)太空研究實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任蘇萌教授在接受中國(guó)日?qǐng)?bào)采訪時(shí)表示，給“黑洞”拍照不像是手機(jī)拍照那樣，立刻就能呈現(xiàn)出來，它是大量的海量數(shù)據(jù)，還有很多個(gè)步驟。然后一步一步地把這個(gè)數(shù)據(jù)從巨大的一個(gè)體量最后變成了照片，讓有用的信息一直保持下去，而把沒有用的信息剔除掉。還要把大家做的信息統(tǒng)籌起來，所以是這樣一個(gè)過程，其實(shí)兩年時(shí)間并不算長(zhǎng)。
05、為什么照片看不清？
昨天，就有不少媒體表示：黑洞的照片可能看不清！
據(jù)科普中國(guó)解釋，首先，黑洞自身是不發(fā)光的，我們看到的發(fā)光實(shí)際都來自于事件視界外面的物質(zhì)，并不來自于黑洞本身，但黑洞的存在會(huì)在照片上留下“陰影”。其次，由于黑洞強(qiáng)引力導(dǎo)致的相對(duì)論效應(yīng)，如光線彎曲、引力紅移等，會(huì)導(dǎo)致黑洞周圍物質(zhì)發(fā)光的不對(duì)稱和扭曲。
此外，事件視界外面的“環(huán)境”并不完全干凈，塵埃、氣體、磁場(chǎng)、噴流等因素都會(huì)對(duì)事件視界外物質(zhì)的發(fā)光產(chǎn)生影響。
而且，事件視界望遠(yuǎn)鏡的分辨率畢竟還是有限的，圖像的測(cè)量和重構(gòu)過程也很復(fù)雜！
06、中國(guó)科學(xué)家做出了重要貢獻(xiàn)
中科院上海天文臺(tái)介紹說，參與本次黑洞拍照的EHT大型國(guó)際合作項(xiàng)目的全球200多位科學(xué)家中，來自中國(guó)大陸的學(xué)者有16人，包括中科院上海天文臺(tái)8人、云南天文臺(tái)1人、高能物理研究所1人、南京大學(xué)2人、北京大學(xué)2人、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)1人、華中科技大學(xué)1人。另外，還有部分來自中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的學(xué)者。
據(jù)香港《南華早報(bào)》報(bào)道，中國(guó)科學(xué)家在資金支持，計(jì)算機(jī)建模和數(shù)據(jù)分析方面都做出了貢獻(xiàn)。 EHT陣列的觀測(cè)只持續(xù)了幾個(gè)小時(shí)，但研究人員花了將近一年的時(shí)間才將碎片圖像合并成一張完整可信的圖片。
“處理的數(shù)據(jù)量非常大。對(duì)于任何一個(gè)國(guó)家來說，這都是一項(xiàng)不可能單獨(dú)完成的任務(wù)，需要全球合作才能完成?！氨本┐髮W(xué)物理學(xué)院天文系主任吳學(xué)兵教授說道。
香港大學(xué)太空研究實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任蘇萌教授稱，天文學(xué)本身就是一個(gè)特別重視國(guó)際合作的學(xué)科，它的許多成果都是不同文化背景下的眾多國(guó)家、團(tuán)隊(duì)、高校為了一個(gè)科學(xué)目標(biāo)而一起長(zhǎng)時(shí)間努力而獲得的。比如，一些天文學(xué)的項(xiàng)目，往往幾百人是一個(gè)很正常的規(guī)模。
所以在EHT這個(gè)項(xiàng)目里面，也是很多國(guó)家高校的研究機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)參與進(jìn)去，包括中國(guó)的科研機(jī)構(gòu)和科學(xué)家，比如中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)便參與了此次國(guó)際合作。
來源｜綜合新華社、中國(guó)新聞網(wǎng)、中國(guó)日?qǐng)?bào)、央視新聞、科普中國(guó)、網(wǎng)絡(luò)
