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人类第一次给黑洞拍了照片,这件事为什么这么难?

时间:2017年04月10日 信息来源:好奇心日报 点击: 【字体:

4 月 5 日开始,一个国际合作的天文项目“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope,EHT)开始对两个特殊的天体进行观测:距离地球 25000 光年,位于银河系核心人马座 A,以及距离地球 5300 万光年的 M87 室女座星云。观测的目标不是常规的天体,而是两个疑似的超大质量黑洞。“事件视界望远镜”的观测将让人类第一次看到黑洞的真实样子。

在现有的宇宙学理论中,黑洞应该是最奇怪的天体之一了:引力密度高到光都不能逃脱,一切物理定律在黑洞内部都会失效。因为引力密度极高,物质在落入黑洞的时候会激发出大量热量和 X 射线辐射,所以黑洞虽然在可见光波段完全不可见,但在 X 射线天文观测里却像灯塔一样明亮。同时,引力把黑洞变成了一种非常简单,简单到接近数学模型的天体,只需要质量、电荷、自转三个参数就可以描述。

那么“事件视界望远镜”这个名字里的“事件视界”(Event Horizon)是什么意思?

上:黑洞和积吸盘的艺术想像图/Wikipedia

下:哈勃太空望远镜拍下的 NGC 4261 黑洞周围的积吸盘/NASA

在“事件视界望远镜”之前,天文学观测已经看到了黑洞的一些边缘证据,比如物质落入黑洞时,因为摩擦和引力作用形成的高热积吸盘,就像马桶放水时旋转的漩涡,这个漩涡可能比黑洞本身要大得多。但物质什么时候算是正式落入黑洞了呢?现在的天文学研究认为,黑洞拥有一个边界,只要跨过这个边界,正常宇宙的一切定律,包括时间和空间在内都会失效,任何物质和信息都不能回头。这个边界就是“事件视界”。

但是同时,处在远方的观察者,比如人类,是无法看到物质跨过“事件视界”的:黑洞内部的空间结构和正常宇宙完全不同,与其说物质是因为强大的引力不能逃脱,更准确的理解应该是,黑洞内部的空间完全扭曲,所有的方向都指向黑洞内部,空间将和时间一样变成单向的。按照广义相对论的描述,理论上只能看到物质以越来越慢的速度靠近黑洞,最终无限趋于静止。

“事件视界望远镜”就是科学家不满足只看到积吸盘和辐射,想要看到黑洞本身,也就是“事件视界”附近而设计的。

但要特别注意的是,“事件视界望远镜”不是一个单独的望远镜,而是分布在全球的八个观测站组成的网络。之所以需要利用分布在西班牙、夏威夷、南极等几乎覆盖整个地球表面的观测站,是因为人马座 A 超大质量黑洞太远了。目前推测的数据显示,这个超大质量黑洞大约具有 400 万个太阳质量,可以计算出它的史瓦西半径,也就是黑洞的“直径”大约是 2400 万公里,也就是 17 个太阳的大小。

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“事件视界望远镜”的全球观测网络/Nature

但在 25000 光年,也就是 24 亿亿公里的距离下,17 个太阳直径也只是分辨不出任何细节的一个点而已。按照美国马萨诸塞州阿姆赫斯特大学的天文学教授 Gopal Narayanan 的比喻,这大概相当于在地球上看月球上的一个葡萄柚。所以,利用地球上八个观测站组成网络,就可以利用干涉技术一起观测,最终产生可见的数据。

另外,这八个观测站接收的不是人眼可见的可见光,它们都是毫米波段的射电望远镜,也就是可以接收 1.3mm 波长电磁波的大天线。

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“事件视界望远镜”的主要观测站,位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)/Wikipedia

从 4 月 5 日起,“事件视界望远镜”将在天气允许的情况下对两个目标进行大约 10 天的观测。但在观测结束之后,黑洞的照片可能需要几个月的处理之后才能看到:望远镜们每天晚上接收到的数据可能会超过 2000 TB,科学家们会在观测技术之后把存着数据的硬盘打包运到位于德国和美国的两个数据中心,利用超级计算机计算数个月,才能得到一张黑洞的“照片”。

黑洞看起来会是什么样?因为非常特殊和神秘,黑洞不仅在天文学中是最引人注目的课题之一,在流行文化里也是热门话题。2014 年上映的美国科幻电影《星际穿越》(Interstellar)可能创造了目前细节最丰富,最接近科学真相的黑洞图像。

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《星际穿越》中的黑洞模型

在加州理工学院理论物理学家基普·索恩(Kip Stephen Thorne)的带领下,《星际穿越》影片给一颗名为卡冈图雅(Gargantua)的虚构黑洞构建了非常震撼的黑洞图像:黑洞本身是一个旋转着的黑色球体,明亮的积吸盘围绕着它的赤道位置。但因为黑洞强大的引力弯曲了空间,积吸盘的被扭曲成了环形,出现在黑洞的上下左右所有方向,让黑洞看起来就像是一个发光的陀螺。

“事件视界望远镜”最终看到的画面可能是什么样子的?滑铁卢大学的模拟显示,因为黑洞正在旋转,多普勒效应可能会让这张照片看起来像一个一边亮一边暗的漩涡。

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“事件视界望远镜”最终可能看到的图像/Nature

一切顺利的话,大约在 2018 上半年“事件视界望远镜”计划会公布最终的图像。对于天文学和物理学来说,“事件视界望远镜”可以最终确认黑洞存在的证据,补完爱因斯坦的广义相对论,发现恒星和星系演化的秘密。

题图/《星际穿越》剧照


(作者:佚名)
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