今日焦點 | 今晚9時,我們將“看見”黑洞
2019年04月10日13:58

原標題:今日焦點 | 今晚9時,我們將“看見”黑洞

今晚9時,我們或將成為第一批“看到”黑洞的人類!

雖然人類早已確認了黑洞這種神秘天體的存在,但黑洞到底長什麼樣,還真沒人知道。

為了一睹黑洞的真實模樣,2017年4月,由世界各地8個天文台的亞毫米射電望遠鏡組成的虛擬望遠鏡網絡“事件視界望遠鏡”發力,對銀河系中心黑洞人馬座A*和星系M87中的黑洞展開觀測。觀測結束後,大型計算機集群再對各個望遠鏡收集的數據進行合併與分析,從而生成黑洞的形象圖,也就是我們今晚9時將看到的人類史上首張黑洞照片。

圖說:2016年6月22日,科學家他們目擊到一枚恒星被一個超巨質量休眠黑洞撕成碎片併吞噬的細節。美國航天局(NASA)隨後公佈了吞噬恒星細節照片(合成製作圖片)。

黑洞究竟長得什麼樣?

說起黑洞,大家都不陌生,但黑洞到底是什麼,能清楚解釋的人或許並不多。

“黑洞”一詞在1968年由美國天體物理學家約翰·惠勒提出,但其實早在1783年,英國地理學家約翰·米歇爾就已經意識到:一個緻密天體的密度可以大到連光都無法逃逸。這也是如今我們對黑洞最基本的認識:像一個無底洞,能吸入週遭一切物質,連光都逃不出來。

黑洞的引力非常大,其勢力範圍被稱作黑洞的半徑,也被稱作事件視界或視界面——顧名思義就是視線所能到達的界面。

天文學家根據質量將宇宙中的黑洞分成了三類:恒星級質量黑洞(幾十倍-上百倍太陽質量)、超大質量黑洞(幾百萬倍太陽質量以上)和中等質量黑洞(介於兩者之間)。根據理論推算,銀河系中光恒星量級的黑洞就有上千萬個,可到目前為止,人類還只確認了20多個黑洞的存在。因為以現有的技術條件,我們無法直接看到黑洞的真容。科學家也只能採取一些間接方式來探測黑洞,比如觀察吸積盤和噴流。

中國科學院國家天文台研究員苟利軍解釋,在某些時候,恒星級質量的黑洞會存在於一個恒星周圍,將恒星的氣體拉來自己身邊,產生一個圍繞黑洞旋轉的氣體盤,也就是吸積盤。當吸積氣體過多,一部分氣體在掉入黑洞事件視界之前,在磁場的作用下被沿轉動方向拋射出去,形成噴流。吸積盤和噴流兩種現象都因為氣體摩擦,產生了明亮的光與大量輻射,所以很容易被探測到,黑洞的藏身之處也就“暴露”了。

41年前,就有人把黑洞“畫”了下來。1978年,天體物理學家讓-皮埃爾·盧米涅利用自己的專業知識和想像力,使用一台60年代的IBM 7040穿孔卡片計算機,首次模擬出了黑洞的樣貌。利用電腦模擬生成的數據,盧米涅化身“人體打印機”,用鋼筆和墨水在底片上描繪黑洞。這幅模糊的圖像展示了觀察者靠得足夠近時看到的一個扁平盤內物質墜入黑洞的景象。

圖說:1978年,天體物理學家讓-皮埃爾•盧米涅筆下的黑洞。這幅模糊的圖像展示了觀察者靠得足夠近時看到的一個扁平盤內物質墜入黑洞的景象。

盧米涅並不是唯一對黑洞真容充滿好奇的人,41年來,很多人都希望這種神秘的天體可視化。

首張黑洞照片哪裡來?

要觀測黑洞、可視化黑洞,自然離不開望遠鏡。從17世紀初人類發明望遠鏡至今,天文望遠鏡口徑越來越大。然而要觀測黑洞,依靠目前任何單個望遠鏡都遠遠不夠。因此,全球200多位科研人員開展了國際合作天文項目“事件視界望遠鏡”。

事件視界望遠鏡的“八隻眼睛”位於美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極,這8台射電望遠鏡構建起一個口徑等同於地球直徑的“虛擬”望遠鏡,向被選中的黑洞撒出一張網,撈回海量數據,為我們勾勒出黑洞的模樣。

事件視界望遠鏡的觀測目標主要有兩個,一是銀河系中心黑洞人馬座A*,一是位於星系M87中的黑洞。之所以選這兩個黑洞作為觀測目標,是因為它們的事件視界在地球上看起來是最大的,其他的要麼很小,要麼很遠,要麼又遠又小,觀測難度更大。

人馬座A*黑洞的質量是太陽質量的400萬倍,但因為和地球間的距離遠,研究它的事件視界,就好比我們站在地球上去看一個放在月球表面的橙子。

圖說:2010年11月16日淩晨,美國國家航天局(NASA)公佈消息,天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡發現地球附近一個年僅30歲的黑洞,這也是人類科學史上發現的最年輕的黑洞。

為何大費周章拍張照?

給黑洞“拍張照”不容易,“洗照片”更耗時超長。8台射電望遠鏡收集大量數據信息,並用數據向科學家們描述出黑洞的樣子。

此次事件視界望遠鏡觀測涉及的站點區域非常廣闊,產生的數據量也十分龐大。據介紹,事件視界望遠鏡每一個晚上所產生數據量可達2PB(1PB=1024TB=1048576GB),和歐洲大型質子對撞機一年產生的數據量差不多。

在觀測結束後,各站點收集的數據被彙總到數據中心。在那裡,大型計算機集群對數據合併與分析,從而生成黑洞的圖像。這張照片一洗就洗了整整兩年。

4年前,LIGO的兩個探測儀探測到了由雙黑洞合併產生的引力波信號,人類第一次聽到“宇宙的聲音”。如今,科學家們又花費大量時間、精力和金錢,為探尋黑洞的真容而不斷努力。這麼大費周章地給黑洞“拍張照”,值得嗎?

天文愛好者、科學攝影師陳海瀅說,“此前,黑洞的形象非常抽像。此次實體影像一旦蒐集成功,將讓黑洞成為具體的形象,對科學研究有巨大幫助。”

今天晚上即將公佈的這張黑洞照片,可能會像各式黑洞模擬圖一樣壯觀絢麗,也可能只有幾個模糊的像素點,但史上第一張黑洞照片和事件視界望遠鏡項目都意義非凡,這是人類在黑洞觀測史上邁出的重要一步。

它將驗證愛因斯坦廣義相對論,幫助科學家瞭解黑洞如何吞噬物體、噴射噴流,證明黑洞邊緣,即黑洞事件視界的存在,或許還能找到不同於黑洞的未知物體。

無論怎樣,我們即將成為有史以來第一批“看見”黑洞的人類,運氣不錯!

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