第一張黑洞照片正式公佈!再次證明愛因斯坦是正確的
2019年04月10日21:59

  今天註定是天文學和物理學界的一個重要日子。有 6 場國際新聞發佈會安排在了這一天,在這些發佈會上,我們見證了人類有史以來所拍得的第一張黑洞照片的公佈。

  美國東部時間 4 月 10 日上午 9 時(北京時間 10 日 21 時),事件視界望遠鏡組織(Event Horizon Telescope Collaboration, 以下簡稱 EHT)在美國華盛頓,比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和台北、日本東京等世界六地同步發佈這張人類期待已久的照片。

  發佈的圖片顯示了黑洞轉動產生的多普勒效應。

  該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系 Messier 87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。圖中心的闇弱區域即為“黑洞陰影”,這個陰影告訴我們:愛因斯坦是正確的!

  該圖像的許多特徵與愛因斯坦廣義相對論的預言完全相一致,在強引力極端環境下進一步驗證了廣義相對論。中國科學院上海天文台研究員袁峰在現場表示,現在看到的照片大體來說有兩個部分,一部分是中心區域不太發光的陰影,另一部分是圍繞這個陰影的發亮的圓環。圓環發的光就是從吸積盤上發出的,而黑色的陰影要比黑洞本身要大幾倍,這證實了愛因斯坦廣義相對論的預言。

  第一次真正地凝視深淵

  “黑洞是廣義相對論預言了很多年的存在。目前,我們在理論上一直猜想黑洞是實際存在的,而且也在觀測中取得了一些進展。但現在我們能夠真正看到它的存在,這件事情非常值得期待的”。在發佈會召開之前,DeepTech 聯繫了中國科學院國家天文台研究員陳學雷,他在解讀此次發佈會意義時如此說道。

  1915 年,廣義相對論作為愛因斯坦提出的革命性理論之一問世。在這個理論中,愛因斯坦提出,物質會扭曲或彎曲時空的幾何結構,人類以重力的形式感受到這種時空扭曲,而黑洞正是愛因斯坦理論的首批預測之一。

  之後的百餘年來,無數的影視作品、科幻小說將黑洞作為宇宙神秘、迷人、凶險的重要意象之一,把它帶到普通大眾的認識中,包括諾獎得主基普·索恩和已故物理學家霍金在內,他們都曾專門著書闡述黑洞的奇幻場景。

圖丨一部法國電視紀錄片視頻中的黑洞影像,包括了多普勒失真和不對稱效果(來源:JA MARCK / J。-P。LUMINET)
圖丨一部法國電視紀錄片視頻中的黑洞影像,包括了多普勒失真和不對稱效果(來源:JA MARCK / J。-P。LUMINET)

  但它始終都像是一個遙遠外太空的“都市傳說”,人類迎來了一批又一批黑洞存在的間接證據:附近恒星軌道的引力擺動、星際氣體雲的變化、氣態射流噴出等等。一些超大質量黑洞隱藏在宇宙中各大星系的核心區域,但即使是愛因斯坦本人也不確定它們是否真的存在。

  荷蘭拉德堡德大學的射電天文學家 Heino Falcke 曾如此評價黑洞:“它們是空間和時間的終點,可能也代表著人類知識的最終極限。”

  而第一幅真正的黑洞影像,將掀開籠罩黑洞的第一層“面紗”,使其從原本神秘的東西轉變成人類可以學習的實體,其中最值得期待的部分可能是這張圖片對於廣義相對論的驗證。發佈會之前,人們就期待這張事件視界的圖片能夠用以檢驗黑洞物理學的基礎理論,比如測量事件視界的形狀和大小,能幫助驗證很多天文和物理上與黑洞有關的理論。此外,天體物理學家還希望 EHT 的數據能夠幫助他們解釋黑洞兩邊以接近光的速度噴出巨大的物質流(噴流)。

圖丨電影《星際穿越》的黑洞 Gargantua,由倫敦的視覺特效公司 Double Negative 製作(來源:London。 AF ARCHIVE/ALAMY STOCK PHOTO)
圖丨電影《星際穿越》的黑洞 Gargantua,由倫敦的視覺特效公司 Double Negative 製作(來源:London。 AF ARCHIVE/ALAMY STOCK PHOTO)

  我們都知道,黑洞是宇宙中一種質量異常大的特殊天體,質量可達太陽的幾百億倍。它是由質量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡後,發生引力坍縮而形成。它巨大的質量,產生了巨大的引力,以至於任何接近黑洞的物體都無法逃脫它的引力。就連傳播速度最快的光也無法逃逸出來。

  黑洞會吸收所有的電磁輻射,這意味著無論是我們用來接收來自天體的無線電波的射電望遠鏡,還是探測地球大氣層以外的源所發射的 X 射線、並將其分辨為一個圖像的 X 射線望遠鏡,用於收集可見光的,便於目視觀測、拍攝的光學望遠鏡,甚至用運行於地球低軌道的、進行大面積巡天以研究天文物理或宇宙論現象的費米伽瑪射線太空望遠鏡,都無法真正探究黑洞的模樣。

圖丨 Nature 此前發佈的預計第一張黑洞圖片(來源:Nature)
圖丨 Nature 此前發佈的預計第一張黑洞圖片(來源:Nature)

  在黑洞的周圍,是一個無法偵測的事件視界 (event horizon)。它是光得以逃離黑洞的最近距離,所以事件視界之內是無法被偵測到的,有如漆黑一片,故名黑洞。事件視界的存在,使黑洞無法被直接觀測。不過,黑洞周圍卻有著一圈可被觀測的物質。這些物質圍繞黑洞高速旋轉,形成了一個圓盤,天文學家稱它為吸積盤(accretion disk)。

(來源:Sunshine Lighthouse)
(來源:Sunshine Lighthouse)

  吸積盤是黑洞的光環,這個明亮的環中間漆黑一片,聽起來並不像土星光環那樣和諧美麗。而且如果我們去觀察吸積盤,會發現它被扭曲了。這是因為黑洞對光線有很強的彎折能力,位於黑洞背面的吸積盤髮出的光,也會繞到前面來被我們看到。

  雖然我們無法看到黑洞內部,但如果黑洞的後面有明亮的背景,我們卻可以看到黑洞吸收形成的影子,看上去正是“黑洞洞”的。黑洞附近超高溫氣體可以發出波長約為毫米級的無線電波,可以穿透星系中的氣體並抵達地球。

  陳學雷則對 DeepTech 表示,這張圖片可以幫助瞭解黑洞周圍以及黑洞本身的信息,比如它的質量、自旋和它對周圍的影響等。而在驗證廣義相對論上,“如果預測不完全一致的話,我們可以期待是不是有更深層的理論能夠解釋其中一些不一致的現象。在廣義相對論提出之後,科學家們也產生了很多修改的理論,和此前的一些理論相比更複雜一些,通過這次觀測,我們可以觀察實際的情況會不會有所不同”。另外,他還提到,除了驗證廣義相對論以外,其他的物理理論,如經典相對論,也可以得到檢驗。如果再考慮到量子力學,我們還需要用原子級別的照片去檢驗模型,當然,這就需要非常高精度的照片才能實現。

圖丨根據廣義相對論,太陽會彎曲時空使行星繞著它運行,中子星會使時空彎曲更厲害,而一個黑洞則會在時空中製造一個深坑,即使是光都無法逃脫(來源:JAMES PROVOST)
圖丨根據廣義相對論,太陽會彎曲時空使行星繞著它運行,中子星會使時空彎曲更厲害,而一個黑洞則會在時空中製造一個深坑,即使是光都無法逃脫(來源:JAMES PROVOST)

  除了照片上的信息外,團隊收集到的原始數據可能還有其他的研究價值。“就像是淘金,發佈的照片就像是最後從沙子裡淘出來的金子。當然,這些原始數據可能還有一些其他的價值,可能後續有人能繼續從中淘出新的金子來”,陳學雷說。

  簡而言之,在這浩瀚的時間長河中,每一次新的宇宙發現,都讓人類感受到自己的渺小。而黑洞中是絕對的死亡還是永生,在今後的漫漫長路中揭曉。隨著這張照片的誕生,人類又擁有了更多的機會檢驗那些曾經被認為“不可檢驗的”的理論,繼續凝視宇宙和生命的深淵。

  Mission Impossible:我們需要一個與地球等大的望遠鏡

  和此前 LIGO 探測引力波類似,這張可能是今年最重要科學發現的照片誕生背後,也有一個龐大且出色的全球化科研團隊以及強大的大科學裝置,並耗費了 2 年的時間才最終問世。

  2016 年,天文學家們發起了一項名為“視界望遠鏡(EHT, Event Horizon Telescope)”的國際觀測項目。EHT 動用了位於世界各地的 8 個獨立射電望遠鏡,這些望遠鏡組成了前所未有的大型望遠鏡陣列,包括亞毫米波望遠鏡(SMT);IRAM 30 米望遠鏡;APEX 望遠鏡;James Clerk Maxwell 望遠鏡(JCMT);大毫米波望遠鏡(LMT);次毫米波陣列望遠鏡(Submillimeter Array,SMA);阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA);以及南極望遠鏡(SPT)。

圖丨 事件視界望遠鏡是由全球八大望遠鏡組成(來源:APEX, IRAM, G。 Narayanan, J。 McMahon, JCMT/JAC, S。 Hostler, D。 Harvey, ESO/C。 Malin)
圖丨 事件視界望遠鏡是由全球八大望遠鏡組成(來源:APEX, IRAM, G。 Narayanan, J。 McMahon, JCMT/JAC, S。 Hostler, D。 Harvey, ESO/C。 Malin)

  在 VLBI 技術(甚長基線干涉測量)的幫助下,8 個望遠鏡模擬出了一個地球大小的巨型望遠鏡,達到了它的最佳解像度:20 個微角秒,用來觀測黑洞還剛剛夠,但是得到的圖像十分模糊。

  EHT 於 2017 年 4 月首次全面運行,並且在那一次的運行中就取得了全部的黑洞數據。期間,8 台射電望遠鏡對準了一個位於銀河系中心的超大質量黑洞人馬座 A*(Sagittarius A*),以及一個 M87 星系中心的黑洞。其中,人馬座 A*位於銀河系的中心,質量約為太陽質量的四百萬倍;另一個更大的黑洞是處女座星系的 M87 黑洞(Messier 87),質量是太陽質量的 70 億倍。

  儘管它們都十分巨大,在 EHT 的照片上卻很小。據一位在 EHT 工作的天文學家說,人馬座 A*黑洞的大小大約是 50 個微角秒(角度單位)的寬度。一個微角秒大概是從月球上看地球上一篇文章末尾的句號的大小。

  最終,EHT 對兩個黑洞總共觀測了約 5 個夜晚,產生了 4PB 的數據(轉換成 MP3 格式需播放 8000 年才能聽完)。採集的數據量如此之大,這也是為什麼時隔兩年後大眾才有機會一睹黑洞的全貌的原因。

  在照片問世的過程中,不同的望遠鏡要對各自採集的數據進行時間和相位的重新矯正,以實現多個數據的同步。這本身就是一項繁瑣的工作,而數據的後期處理更加耗費精力。如此巨量的數據,網絡帶寬不夠傳輸,研究人員轉而將數據拷貝到硬盤上,通過快遞硬盤實體來交換數據,這竟然成為了比網絡傳輸更快的方式。

(來源:J。 A。 MARCK/J。-P。 LUMINET)
(來源:J。 A。 MARCK/J。-P。 LUMINET)

  因此,團隊在過去兩年里不斷地分析、校準和關聯數據。在巴黎天文台工作、專注於黑洞可視化研究的法國天文學家 Jean-Pierre Luminet 在 Science 的採訪中也表示,黑洞“可視化”的難點在於要將一個本身在定義上就不可見的物體“實體化”。他在此前曾多年從事包括為影視作品用計算機模擬黑洞的專業黑洞可視化工作。

  運輸不便,加上巨量的分析任務,讓這個宇宙中的鬼魅時隔兩年才與世人相見。

  但在研究過程中,研究團隊的成員們對此充滿信心。在一次 TED 演講中,EHT 研究人員、來自麻省理工學院的凱蒂·伯曼曾如此介紹她的感受——“在項目開始時我沒有任何天文學背景知識,但團隊通過這一獨特合作所達成的成就,可讓世界上第一幅黑洞照片誕生”。

圖丨凱蒂·伯曼(來源:TED)
圖丨凱蒂·伯曼(來源:TED)

  據她介紹,團隊要觀察的黑洞離地球太過遙遠。“從地球上看,它非常、非常小——大概就和月球上的一個橘子一樣大。這導致給它拍照變得無比艱難……我們可以輕易得出所需的望遠鏡的大小:就和整個地球一樣大”。

  但是,建造一個地球大小的射電望遠鏡是不可能的。她選擇相信米克·賈格爾的一句名言——“你不可能永遠得到你想要的東西,不過有時候你試一下,說不定正好找到你需要的東西。”

  正如我們所見,後來,EHT 選擇將遍佈全世界的望遠鏡連接起來,團隊中的計算機學家們則開發出特別的圖片算法,基於望遠鏡提供的散亂而充滿干擾的數據,生成最終的圖片。

  凱蒂·伯曼認為,像 EHT 這樣的項目能夠成功,正是不同學科的研究人員用各自的專業知識一起創造的結果。

圖丨 1610 年 1 月 7 日,伽利略用自製的望遠鏡發現了圍繞著木星的四顆衛星。大約 400 年過去,我們觀察宇宙的“眼睛”和“視野”正在走向極限。
圖丨 1610 年 1 月 7 日,伽利略用自製的望遠鏡發現了圍繞著木星的四顆衛星。大約 400 年過去,我們觀察宇宙的“眼睛”和“視野”正在走向極限。

  “我們是一個由天文學家、物理學家、數學家和工程學家構成的大熔爐。這就是我們能夠很快達成一個看起來不可能達成的成就的原因……在此,我想鼓勵你們所有人,走出去,推動科學的邊際,儘管剛開始它可能看起來和一個黑洞一樣神秘”,她說。

  來源:DeepTech深科技

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