很快,我们就能看见黑洞的第一张照片 易科学前沿

很快,我们就能看见黑洞的第一张照片

早在1783年,英国的地质学家和天文学家John Michell在专研牛顿子引力方面的工作时就发现,理论上,当一颗恒星的质量到达1.25亿倍太阳质量时,它的引力强大到即使是光都无法逃脱。


△ 根据广义相对论,太阳的质量会弯曲时空使行星绕着它运行。一颗中子星会使时空弯曲的更厉害。而一个黑洞则会在时空中制造一个深坑,即使光都无法逃脱。(图片来源:JAMES PROVOST)


尽管恒星的质量绝不可能达到如此之高,但到了1915年,当爱因斯坦的广义相对论发表后,才为Michell的预言庞然大物奠定了一个坚实的理论基础。一年之后,德国天文学家Karl Schwarzschild求出了广义相对论方程的一个解。他认为恒星可以在自身的引力下坍缩,并在时空结构中制造出一个深坑。任何东西,包括光,只要离坍缩恒星的质心足够近就不可能逃出引力的魔爪。这个有去无回的点被称作事件视界


1967年12月,在纽约的一场讲座中,理论物理学家John Wheeler提出了“黑洞”一词来解释这一现象。黑洞一次立即抓住所有人的眼球,使科学家、小说家、艺术家和电影制作人产生了许多的幻想。但除了这些恒星级的黑洞外,一个更激动人心的发现是几乎在所有的星系中央,都存在着超大质量——是太阳质量的百万甚至数十亿倍——的黑洞。(为什么科学家相信星系中央具有超大质量黑洞,其实跟上个世纪60年代的天文学四大发现之一的类星体有紧密关系。有兴趣的读者可阅读《一闪一闪类星体》。)


△ 事实上,1963年的时候,在德克萨斯州达拉斯市的一个天文物理的会议上,黑洞一词就被使用了。1964年1月18日,在科学新闻快报上,Ann Ewing的一篇文章中首次出现了“黑洞”的字眼。但没有人真正确定究竟是谁首先用了这一词。(图片来源:SCIENCE NEWS LETTER/SSP)


1971年,Donald Lynden-Bell和Martin Rees猜测在我们栖息的银河系中心——距离我们2.6万光年远——也存在着一个超大质量黑洞。1974年,天文学家利用NRAO的基线干涉仪发现了银河系中心辐射出大量的射电波确认了它的存在,并将其命名为人马座A(质量为太阳的400万倍)。


△ X射线下的人马座A。(图片来源:NASA’s Chandra X-Ray Observatory)


在过去的几十年,天文学家收集了越来越多星系中心存在超大质量黑洞的证据。例如,它们强大的引力对周围的恒星造成的影响,吸积周围的物质导致喷流的形成,以及去年LIGO探测到的合并黑洞辐射出的引力波。


△ 虽然,我们知道黑洞确实存在,但关于它们的起源、演化和对宇宙的影响依然是现代天文学的前沿研究。(图片来源:Ute Kraus/wikipedia, CC BY-SA)


但是,所有这些观测证据都是间接的。幸运的是,这个情况即将得到改变。科学家正协力对银河系和星系M87中央的超大质量黑洞进行第一次拍摄。要知道,对这些黑洞进行拍摄是很困难的,因为它们极其遥远,就如同我们在地球上看月球表面的一个橙子。我们需要比哈勃太空望远镜高出1000倍分辨率的望远镜。


△ 望远镜的分辨率——识别和测量天体细节的能力——通常用角度来表示(跟物体的大小和距离相关)。从地球看月球的角距大小为半度,或1800弧秒。一台100米单口径射电望远镜的分辨率大约为60弧秒。人马座的角距大小为0.000037弧秒,而事件视界望远镜的分辨率为0.000015弧秒。(图片来源:Vox)


基于此,科学家决定将横跨全球的八个射电天文台(有些是单个射电望远镜、有些则是阵列射电望远镜)连接起来,形成一个分辨率相当于地球大小的望远镜,称为事件视界望远镜(EHT)。利用长基线干涉仪和口径综合的技术【1】,科学家将于2017年4月5日-14日期间对这两个超大质量黑洞进行观测,希望能够拍摄到黑洞的事件视界。要知道,保证所有望远镜都能够看到这两个黑洞的时间非常有限,今年则是在接下来的10天内。


△ EHT的分辨率相当于一个地球大小的望远镜。(图片来源:Nature)


在超大质量黑洞的周围会形成一个绕着它旋转的吸积盘——由尘埃和气体组成。从这些物质辐射出的光的路径会被黑洞的引力场扭曲。它的亮度和颜色预期也会跟预测中的方式一样改变。天文学家期待 EHT 会看到一个明亮的新月形。根据多普勒效应,在物质朝向我们的那一边会比较明亮,远离地球的那一边会比较暗。


△ 艺术描绘:星系中心的超大质量黑洞的事件视界。(图片来源:M. Moscibrodzka, T. Bronzwaar and H. Falcke, Radboud University)


一旦各个望远镜收集完所有的数据后,这些数据会被传送到一个中央处理设备,一台超级电脑将仔细的结合所有的数据,而这个任务很可能需要六个月的时间。只有在分析完所有的数据后,才会开始真正的科学研究。预计该团队将在2018年发表他们的结果。


△ 为了穿过在靠近星系中央的浓厚的气体和尘埃云,必须使用亚毫米射电望远镜而不是光学望远镜进行观测。干涉技术:位于不同地点的射电望远镜将在同一时间进行观测,最后将数据进行相关性分析后合并。(图片来源:VOX)


事件视界望远镜背后的科学团队希望通过拍摄黑洞的事件视界的第一张照片,以检验黑洞物理学的基础理论,比如测量事件视界的形状和大小,以检验在极端引力下广义相对论是否正确。


△ 上:黑洞的事件视界(Event Horizon)、吸积盘(Accretion disc)和喷流(Jets);中:吸积盘辐射出的光会受到黑洞的强大引力场而弯曲;下:预计会看到的黑洞图像。(图片来源:Nature)


此外,天体物理学家还希望EHT的数据能够帮助他们解释宇宙中最壮观的一个现象:从超大质量黑洞两边以接近光的速度喷出巨大的物质流(喷流)。有一些黑洞(包括M87)的喷流的大小甚至比寄主星系还大。但并不是所有的星系都这样,如果人马座A也有喷流,那也是非常小和弱的,以至于至今都没有观测到。科学家也还不确定这些喷流是由什么物质构成的,但这些喷流在星系的演化中扮演着极其重要的角色。


无论最后EHT呈现给我们的黑洞是预期中的样子,或者只是拍摄到一些模糊的像素,都将会对基础物理、天文物理学和宇宙学产生深远影响。


参考来源:

【1】http://ircamera.as.arizona.edu/Astr_518/interferometry1.pdf

【2】http://www.nature.com/news/how-to-hunt-for-a-black-hole-with-a-telescope-the-size-of-earth-1.21693

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