吃瓜也要有文化|首張黑洞照片今晚公佈,預習資料在這裏了
2019年04月10日07:21

原標題:吃瓜也要有文化|首張黑洞照片今晚公佈,預習資料在這裏了

人類曆史上首張黑洞照片今晚揭曉。北京時間4月10日21時,全球六地(比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海、中國台北、日本東京和美國華盛頓)將聯合召開新聞發佈會,公佈這一重大科學成果。

屆時,澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者會在上海天文台的新聞發佈會現場帶來速遞。而讀者們在搬好小板凳坐等“吃瓜”的同時,不妨先快速預習一下與這項黑洞研究有關的背景資料。

電影星際穿越當中的黑洞,周圍的亮環是由氣體構成的吸積盤(圖片來源:電影《星際穿越》)

問:什麼是黑洞?

答:根據愛因斯坦引力場方程的計算,如果大量物質集中於空間一點,奇點周圍會形成時空扭曲的“視界”,一旦進入這個界面,連光子也無法逃逸。

這個預測在1916年被提出來,不過,直到1967年,普林斯頓大學核物理學家約翰•惠勒才在一場講座里首次使用了“黑洞”(black hole)這個詞彙,並迅速流傳開來。

問:既然看不見,怎麼拍黑洞的照片?

答:雖然科學家們看不到黑洞的本體,但可以一直追溯到光子消失的“視界”,這是我們能“看到”的極限。

黑洞周圍的確會存在一些發光的現象,比如黑洞在吃掉周圍的恒星時,會將恒星的氣體撕扯到身邊,形成一個旋轉的吸積盤。黑洞有時候也會“打嗝”,一部分吸積氣體會沿轉動方向被拋射出去,形成噴流。

吸積盤和噴流都會因氣體摩擦而產生明亮的光線,以及其他頻段的輻射。

問:怎麼尋找黑洞?

答:科學家們可以通過黑洞對周圍天體的影響來間接地感受到它的存在,尤其是它巨大的引力造成的時空扭曲,就像可以通過月亮的繞行軌道和速度來間接推測地球的質量。

其次,上文提到過吸積盤和噴流會產生發光現象,伴隨其他頻段的輻射。

最後,黑洞與其他天體或另一個黑洞的相互作用會產生大量引力波,也是可探測的線索。

問:有確認存在的黑洞嗎?

答:有。人類探測到的第一例引力波信號,就是由雙黑洞併合產生的。

人類發現的第一個強有力的黑洞候選天體是1964年發現的天鵝座X-1,距離地球約6000光年。天鵝座X-1有一個正在被它吃掉的“舞伴”,但伴星的質量卻比它本身更加大,引發了廣泛的爭議,其身份長期懸而不決,霍金都為此打過賭(並輸掉了)。科學家們後來測得天鵝座X-1的質量約為14.8個太陽,視界半徑300公里,應該是一個“胃口”非常小的黑洞。

目前,科學家們更為關注的一類黑洞候選系統是軟X射線瞬變源。這類系統包含一個小質量的舞伴,通常處於寧靜態,但會出現間歇性的X射線爆發現象,間隔時間從數月到數十年不等。間歇性爆發的時候,就是探測黑洞的好時機。

根據理論計算,銀河系中應該存在上千萬個恒星量級的黑洞,現在得到確認的只有20多個。

問:這次拍到了哪個黑洞的照片?

答:兩個超大質量黑洞。一個是銀河系中心黑洞Sgr A*,一個位於室女座的M87星系中心。之所以選擇這兩個目標,而不是銀河系中更近的恒星級黑洞,是因為它們的視界從地球上看足夠大。

長久以來,科學家們就發現幾千億顆恒星圍繞著銀河系中心轉動,推測出那裡存在一個超大質量的天體。根據計算,Sgr A*的質量大約相當於400萬個太陽,視界半徑約2400萬公里。聽起來足夠大,不過,鑒於銀河系中心黑洞遠在2.5萬光年(約24億億公里)之外,實際效果相當於在地球上觀察一顆放在月球上的橙子,或者在北京看清上海一顆高爾夫球上的小坑。

M87中心的超大質量黑洞則達到了66億倍太陽質量,視界範圍大約是冥王星軌道的三倍。當然,因為距離更遠的緣故,M87中心黑洞在地球上看的實際效果與Sgr A*可能相差不大。

問:怎麼拍出解像度這麼高的照片?

答:全球望遠鏡組成陣列,聯合觀測,形成一個有效口徑等於地球直徑的大望遠鏡。這個虛擬的大望遠鏡叫做“事件視界望遠鏡”(EHT),由8台望遠鏡組成。分別是:南極望遠鏡(South Pole Telescope);位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);位於智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡(Atacama Pathfinder Experiment);墨西哥的大型毫米波望遠鏡(Large Millimeter Telescope);位於美國亞利桑那州的(Submillimeter Telescope);位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);位於夏威夷的亞毫米波望遠鏡(Submillimeter Array);位於西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠鏡。它們在2017年4月對兩個黑洞目標進行了聯合觀測。

從2018年起,又有格陵蘭島望遠鏡、位於法國的IRAM NOEMA天文台和位於美國的基特峰國立天文台加入後續的研究和校準工作。

全球一共60多個研究機構參與了研究,其中包括中國科學院下屬的上海天文台、雲南天文台等機構,以及華中科技大學、南京大學、中山大學、北京大學、中國科學院大學、台灣大學等高校。這也是中國上海和台北兩地聯合舉辦新聞發佈會的原因。

問:2017年拍的照片,為什麼現在才公佈?

答:黑洞照片“拍”起來難,“洗”出來也難。虛擬的大望遠鏡陣列並非直接拍出了黑洞的圖像,而是給出了許多數據,必須經曆複雜的計算機處理過程。其中還有些缺失或模糊的部分,需要科學家們拚圖。

此外,在2017年4月的聯合觀測以後,研究團隊還進行了一些數據收集和校準的工作。

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