什麼?人類首張黑洞照片有可能看不清?!
2019年04月10日12:00

  先平復一下激動的心情,北京時間今天晚上21:00,首張黑洞照片即將面世!

  是的,是首張,此前人類基本都是間接“看到”黑洞,這次則直接“拍”了下來!

  這事到底有多大?

  這麼說吧,今晚全球六地同時召開新聞發佈會(比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和台北、日本東京以及美國華盛頓),同步發佈!這有可能是今年最重要的科學發現之一。

  在上海,EHT項目和中國科學院將發佈這一重大成果。

  時間

  北京時間2019年4月10日21點整

  地點

  中國科學院上海天文台

  黑洞是什麼?宇宙中真的有黑洞嗎?黑洞的照片會是什麼樣子?下面我們一一揭曉。

  黑洞是什麼?

  自上世紀中期開始,人們對黑洞的探秘就從未停止過。

  200多年前,英國的米歇爾和法國的拉普拉斯就曾提出: 一個質量足夠大但體積足夠小的恒星會產生強大的引力,以致連光線都不能從其表面逃走,因此這顆星是完全“黑”的,但這一推論隨後被人遺忘。

  1915年愛因斯坦發表廣義相對論不久,德國數學家史瓦西得到了靜態球對稱情況下愛因斯坦場方程的一個解,解在一個特殊半徑(後稱史瓦西半徑)處存在奇異性。

M87星系中心的超大質量黑洞的模擬圖像。中間的黑色區域是黑洞的剪影。| 圖片來源:Jason Dexter (左) and Kazunori Akiyama (右)
M87星系中心的超大質量黑洞的模擬圖像。中間的黑色區域是黑洞的剪影。| 圖片來源:Jason Dexter (左) and Kazunori Akiyama (右)

  1939年美國物理學家奧本海默等也證明確實存在一個時間-空間區域,光也不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者。這一區域的邊界稱為視界,在靜態球對稱情況下,視界半徑就是史瓦西半徑。如果某天體的半徑小於史瓦西半徑,那麼該天體就應該是“黑”的,無法被我們看到。

  科學家們把這些引力極強而又“看不到”的特殊天體稱為“黑洞”。因此,黑洞也是愛因斯坦廣義相對論預言的一種產物。

  宇宙中的黑洞是怎麼被發現的?

  他們發現在一些被X射線望遠鏡發現的雙星(由一個緻密星和另一個正常恒星組成)中,緻密星的質量比中子星的質量上限(約為3倍太陽質量)還大,但半徑卻差不多,因此認為這些引力極強的緻密星只能是黑洞。

  目前在銀河系中已發現20多個黑洞X射線雙星,它們的黑洞質量大約是太陽質量的5到20倍。

黑洞剪影的模擬圖像:廣義相對論預言剪影是圓形的(中),其他理論則預言了不同的形狀(左、右)。| 圖片來源:D. Psaltis and A. Broderick
黑洞剪影的模擬圖像:廣義相對論預言剪影是圓形的(中),其他理論則預言了不同的形狀(左、右)。| 圖片來源:D. Psaltis and A. Broderick

  最近幾年,地面激光干涉引力波天文台(LIGO) 已宣佈已探測到11對雙黑洞併合產生的引力波,這些黑洞的質量都是幾十個太陽質量。

  天文學家通常把這些質量為幾個到一百個太陽質量的黑洞叫恒星級黑洞。

  二次世界大戰後,雷達技術廣泛用於射電天文,許多宇宙射電源被發現。這些射電源的光學像有的看起來很像恒星,但光譜觀測顯示它們本質上不是恒星,而是譜線有巨大紅移的銀河系外遙遠天體。

  這些被稱為“類星體”的活動星系核能輻射出比銀河系高成千上萬倍的能量,其發光原理不能用核反應來解釋。

  科學家們認為類星體的能源來自於其中心質量極大的黑洞吸積周圍物質所釋放出的巨大引力能↓

圖1:類星體中心超大質量黑洞及吸積盤、噴流示意圖 | 圖片來源:NASA/Goddard Space Flight Center
圖1:類星體中心超大質量黑洞及吸積盤、噴流示意圖 | 圖片來源:NASA/Goddard Space Flight Center

  後來的觀測表明像我們銀河系這樣的正常星系中心也存在質量在百萬太陽質量以上的黑洞,只是因為這些正常星系中心的黑洞周圍沒有多少可供吞噬的物質,所以其表現不如類星體中心的黑洞“活躍”,無法釋放像類星體那樣巨大的能量。

  天文學家把類星體和星系中心質量在百萬到百億倍太陽質量的黑洞叫超大質量黑洞。

  那麼宇宙中是否存在介於恒星級黑洞和超大質量黑洞之間、質量為幾百到幾十萬倍太陽質量的中等質量黑洞呢?天文學家雖然在一些近鄰星系的極亮X射線源中似乎已找到中等質量黑洞存在的跡象,但還需更多的觀測予以證實。

  黑洞照片會是什麼樣子?

  雖然天文學家已發現了眾多的恒星級黑洞和超大質量黑洞,但都是通過黑洞強大的引力對周圍物質和恒星的影響而間接探測到的。

  宇宙中的黑洞自身雖然是不發光的(霍金輻射在天文學家發現的黑洞中太弱,可忽略不計),但因為黑洞不是孤立的,它們對周圍物質和恒星的影響可產生豐富的觀測現象讓天文學家發現它們,並測量出其最重要的物理參數-質量。在少數情況下,天文學家甚至還可利用觀測結果測量出一些黑洞的自轉。

  但至今還缺乏對黑洞的直接探測和成像。黑洞最主要的特點是存在事件視界,大小為史瓦西半徑。

恒星級黑洞系統示意圖 | 圖片來源:http://www.uux.cn/viewnews-9278-page-1.html
恒星級黑洞系統示意圖 | 圖片來源:http://www.uux.cn/viewnews-9278-page-1.html

  對質量為幾十個太陽質量的銀河系內恒星級黑洞而言,史瓦西半徑只有幾十公里,而這些黑洞距離我們都有上萬光年(1光年約為9.5萬億公里)之遙,事件視界的大小相對於距離實在太小了,所以完全無法探測。最可能對其事件視界直接成像的黑洞是離我們很近的兩個超大質量黑洞,即人馬座方向銀河系中心和室女座方向射電星系M87中心的黑洞。

  銀河系中心黑洞Sgr A*質量約為4百萬太陽質量,距離我們2.5萬光年,事件視界半徑約1.2千萬公里。射電星系M87中心黑洞質量為60億太陽質量,距離我們5千萬光年,事件視界半徑約180億公里。

  要對這兩個超大質量黑洞的事件視界附近照像,望遠鏡的解像度需要達到十個微角秒(一微角秒為百萬分之一角秒)左右,這相當於要分辨出月亮上的一個乒乓球,對於人類是一個極大的挑戰!著名的哈勃空間望遠鏡的解像度也只有0.05角秒。

  但天文學家還是想出了辦法,他們利用分佈在全球幾大洲的8個毫米波望遠鏡組成干涉陣列(即事件視界望遠鏡EHT),陣列的基線長度和地球大小相當,角解像度可達幾十微角秒,因此具備對銀河系中心黑洞和射電星系M87中心黑洞視界面附近區域進行成像的能力。

  那麼,事件視界望遠鏡拍攝的黑洞照片究竟會是什麼樣子呢?

圖三:望遠鏡在全球分佈示意圖,紅點代表望遠鏡所在地丨圖片來源:http://m.sohu.com/a/133852929_376569
圖三:望遠鏡在全球分佈示意圖,紅點代表望遠鏡所在地丨圖片來源:http://m.sohu.com/a/133852929_376569

  首先,黑洞自身是不發光的,我們看到的發光實際都來自於事件視界外面的物質,並不來自於黑洞本身,但黑洞的存在會在照片上留下“陰影”。其次,由於黑洞強引力導致的相對論效應,如光線彎曲、引力紅移等,會導致黑洞周圍物質發光的不對稱和扭曲。

  此外,事件視界外面的“環境”並不完全乾淨,塵埃、氣體、磁場、噴流等因素都會對事件視界外物質的發光產生影響。而且,事件視界望遠鏡的解像度畢竟還是有限的,圖像的測量和重構過程也很複雜↓

事件視界望遠鏡(EHT)團隊模擬的黑洞附近照片及其測量和重構過程 | 圖片來源:https://eventhorizontelescope.org/science
事件視界望遠鏡(EHT)團隊模擬的黑洞附近照片及其測量和重構過程 | 圖片來源:https://eventhorizontelescope.org/science

  因此,儘管我們對事件視界望遠鏡拍攝的首張黑洞照片非常期待,但如果最終看到公佈的照片不那麼美觀和清晰(比如像上圖右邊的樣子),也請大家不必感到意外。

  萬事開頭難!今後大家看到的黑洞照片肯定會比現在更精彩。

  來源:科普中國

  本文專家:吳學兵,北京大學天文學系系主任,教授

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