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[微信订阅] 第一张黑洞图片如何获得?8个望远镜和数百万次模拟

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发表于 2019-4-11 17:55:16 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式



一个多世纪以前,爱因斯坦发表了广义相对论,而现代物理中的黑洞理论正是建立在该理论的基础上。近几十年来,天体物理学家已经为这些神秘天体找到了压倒性的证据。他们观察到黑洞对邻近恒星和行星轨道的作用;他们“听”到了来自黑洞碰撞产生的振动,即时空涟漪——引力波。但直到现在,他们才“亲眼看到了”黑洞。4月10日,事件视界望远镜(EHT)国际合作项目的天体物理学家宣布,他们首次捕捉到了黑洞的图像。
这张图片拍摄于2017年4月,是由事件视界望远镜合作项目在全球使用8台望远镜进行的为期5天的观测结果。图片描绘了围绕室女座星系团中超大质量星系M87中心一个超大质量黑洞旋转的发光气体。M87是一个距离地球5400万光年的星系。然而,黑洞的特征“事件视界”隐藏在明亮的光线之后,那里是时空深渊的边缘。那里的引力是如此之强,以至于连光线都无法逃脱。亚利桑那大学的费娅尔·厄泽尔(Feryal Ozel)是事件视界望远镜合作项目的成员之一,她说:“这是一个没有反光的点。”在图像中,事件视界呈现为“光的突然消失”。
此前,研究人员曾在M87黑洞的预测位置捕捉到一团喷射出来的光,但由于观测仪器远没有事件视界望远镜那么锐利,他们无法确切地看到黑洞。“这就像从一个廉价的智能银河至尊登陆摄像头换成了一个高清IMAX影院,”哈佛大学的天体物理学家安德鲁·斯特罗明格(Andrew Strominger)说道。他没有参与这项工作。
这个黑洞的质量大约是太阳质量的65亿倍。尽管如此,从地球上较有利的位置看,它依然非常微小,在天空中只有50微弧秒宽,就相当于看一个放在月球上的甜甜圈。它需要8个不同的望远镜才能成像。望远镜收集的观测数据以十亿分之一秒的精度同步。
为了看清黑洞的明暗边界,天体物理学家们捕捉到了无线电波——人类肉眼看不见的1.3毫米波长的光,由环绕黑洞旋转的气体发出。这些气体发出各种波长的光,包括可见光,但研究人员选择了这一特定波长,因为它可以在不被吸收的情况下穿过整个星系,甚至穿过地球大气层。不过,要想在所有8个望远镜所在的地点看到黑洞,还是需要良好的天气。费娅尔·厄泽尔表示,在开启望远镜之前,他们必须监测空气中的湿度,过高的湿度会破坏成像效果。为了减少雨水的影响,研究人员在干燥地区建造了望远镜,包括南极洲的南极点和智利的阿塔卡马沙漠。
M87黑洞离地球相对较近,望远镜接收到的光是它在5400万年前发出的,所以我们看到的它正处于一个相对更成熟的阶段。“在宇宙年龄的这个节点,黑洞已经平静下来,”费娅尔·厄泽尔说,“它们基本上是在吞噬来自附近恒星的气体。”M87的黑洞确实释放出明亮的气体喷射,但与更遥远的年轻黑洞相比,它仍然显得相当暗淡。这些较年轻的黑洞积累了大量的物质,所以它们的发光气体漩涡更加明亮。
拍摄这张照片花了20年的时间。这项工作的一部分是设计、建造和将各种硬件运送到不同的望远镜地点。另一方面,科学家也必须通过尽可能精确地确定黑洞的物理性质,来预测他们可能看到的东西。自2000年研究生时代起,厄泽尔就一直致力于拍摄黑洞。她表示,他们已经对黑洞进行了数百万次模拟,每个黑洞都有不同的质量、旋转速度、方向以及其他特征。这些模拟有助于他们了解应该如何设计望远镜,以及应该将望远镜指向何处。
不过,研究人员并不只是在追求漂亮的图片。在宇宙中,黑洞是已知最极端的实体之一。众所周知,黑洞将大量的质量聚集在一个点上,使得它实际上成为一个密度无穷大的物体。这种密度产生了巨大的引力,没有人能看到它的内部。厄泽尔说:“它们是宇宙中唯一能创造出宇宙其他部分无法到达的时空区域的物体。”正是因为黑洞如此极端,研究人员才迫切想要了解它们的特征,看看它们是否与广义相对论的其余部分吻合。“我们都觉得自己对空间和时间有一种直觉,但爱因斯坦告诉我们,这种直觉只有在我们已经习惯的情况下,也就是引力场非常弱的情况下才会成立,” 斯特罗明格说,“当引力场变强时,会发生各种各样疯狂的事情。”
迄今为止,研究人员所观察到的关于M87黑洞的一切——它的质量和事件视界大小——都与爱因斯坦的理论相一致。但未来更详细的观察可能会揭示出意想不到的特征。斯特罗明格希望看到类似M87这样快速旋转的黑洞的图像。根据理论计算,如果黑洞旋转得足够快,它们就会在时空中形成一个虫洞。未来的黑洞图像可能有助于证实或驳斥这些假设。斯特罗明格期待着有一天,当图像足够清晰时,我们可以看到一个黑洞及其相关的虫洞。“这真的是非常,非常奇特而科幻的东西,而我们可能有朝一日将看到它,”他说。
厄泽尔说,这张照片仅仅是个开始。研究人员计划把望远镜转向其他黑洞,收集完整的黑洞图像簿。他们还计划对这个黑洞拍摄更多、质量更好的图片,以便更详细地了解它的特征和行为。




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