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2019-04-25 22:40:10 环球时报
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  这几天大家都在关心一个东东:“黑洞”,新闻报道铺天盖地。美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔和日本东京等地同时召开发布会,发布他们拍到的第一张黑洞照片。美国《天体物理学杂志通讯》以特刊形式通过6篇论文发表这一重大成果。

  经过10多年准备,四大洲8个观测点组成虚拟望远镜网络,一个如同地球直径大小的事件视界望远镜,在集齐所有观测数据并深度分析后,让黑洞终于拥有了一张“正面照”。这张非同一般的照片,它是由多个国家联合,历时10年拍摄成功的真实的黑洞照片让我们打开眼界。但同时关于黑洞的知识大家都应该普及一下,多多了解我们这个浩瀚的宇宙空间,但愿能激发年轻人一代接着一代的不停去探索神秘的宇宙,解开更多的宇宙之谜,更好的为人类的发展拓展空间,多做贡献。一起来看看关于“黑洞”的知识吧。

  一百多年前,爱因斯坦提出的广义相对论率先预言黑洞的存在质,20世纪60年代,美国天体物理学家约翰·惠勒提出“黑洞”概念。黑洞是一种体积极小而质量极大的天体,引力非常强,以至于周围一定区域内连光也无法逃逸,这一区域被称为“事件视界”。照片给出黑洞这一极端天体存在的最直接证据,验证了广义相对论,也将帮助回答星系中的壮观喷流如何产生并影响星系演化等诸多前沿问题。

  “黑洞是时空尽头,存在一些我们想破解的谜团。首次给黑洞拍照可能帮助我们朝着解开这些谜团更进一步。”项目科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克告诉新华社记者。美国哈佛大学理论物理学家亚伯拉罕·洛布形容:“百闻不如一见,一图抵千言。”

  

  (图片来自大众网)

  照片“主角”是室女座超巨椭圆星系M87中心的超大质量黑洞,其质量是太阳的65亿倍,距离地球大约5500万光年。照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构,看上去有点像甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“阴影”,明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘。

  由于光线无法逃出黑洞,科研人员要拍的实际上是黑洞产生的“阴影”以及周围的吸积盘等,从而描绘出黑洞的轮廓。此次拍照的一个目标是代号为M87的超巨椭圆星系中心黑洞,它的质量是太阳的65亿倍,但离我们实在太远,达到5500万光年。

  要拍摄这么远的对象,科学家模拟出口径像地球一样大的望远镜,这就是“事件视界望远镜”,它集合了分布在全球各地的多个射电望远镜。从智利阿塔卡马沙漠到南极冰原,从西班牙的高山到夏威夷的海岛,8个射电望远镜通过“甚长基线干涉测量技术”联合起来,成功拍到人类历史上第一张黑洞照片。

  要顺利拍照,不仅要“看”得远,还要选对频道。“对黑洞成像而言,最佳的波段进行观测至关重要,这个波段就在1毫米附近,成像的分辨率相当于能在黑龙江漠河阅读南沙群岛上的一张报纸。”上海天文台研究员路如森说。

  拍照难,洗照也不易,一洗就是两年。望远镜记录下的海量数据,需要进行复杂的后期处理和分析,才能获取最终的黑洞图像。以2017年4月的观测为例,每个台站的数据率达到惊人的32GB/秒,8个台站在5天观测期间共记录约3500TB的数据。专家表示,如果是像看电影一样不间断地看,至少需要500多年才能看完。

  两百多年前,就有科研人员设想宇宙中存在一种质量巨大、引力强到连光也无法逃脱的天体。爱因斯坦在一百多年前提出的广义相对论,可用于计算出这种天体的若干性质。但黑洞作为一个科学术语,直到20世纪60年代才由美国天体物理学家约翰·惠勒提出。

  几十年来,黑洞引发人们无数遐想,但没有人知道它的真正模样。正因为这个,第一张黑洞照片才备受期待,被誉为“非凡的科研成果”,是天文学上的“重要里程碑”,“具有历史性意义”。

  “观测结果与理论预言一致,这证实在黑洞这样的极端条件下,广义相对论仍然成立。”中国科学院上海天文台台长沈志强说,先辈科学家为我们这个世界搭建的理论模型,再次经受住考验。

  和光学照片的清晰度问题一样,根源在于分辨率。根据天文学家所了解的知识,要想提高望远镜的分辨率,可以做两方面的努力:一是降低观测频段光子的波长(等价于增强能量),二是增加望远镜的有效口径。值得注意的是,此处的有效口径,其实取决于望远镜网络当中相距最远的两个望远镜之间的距离。2017年有8个亚毫米波望远镜加入了观测,2018年北极圈之内格陵兰岛的亚毫米波望远镜也加入其中,基线长度进一步增加,也进一步改善了望远镜的分辨率。

  然而,尽管我们现在的亚毫米望远镜基线已经达到了1万公里,但空间分辨率刚达到黑洞视界面的尺寸,所以在科学家们观测的有限区域内,就相当于只有有限的几个像素。在《星际穿越》电影当中,天文学家基普·索恩设想的黑洞形象——包括吸积盘的许多具体细节——都通过技术手段呈现了出来,然而在真实的情况下,我们在照片中只能看到吸积盘上的几个亮斑而已。

  范璐璐:黑洞,顾名思义,是“黑”的,其本身不发光。但黑洞事件视界周围的物质可以发出电磁辐射(广义上的“光”),并可以传播到地球,被我们地球上的天文望远镜所观测。这次对黑洞的拍照实际上是对黑洞周围发光物质和不发光黑洞本身形成的阴影的成像。拍摄本身是应用了天文上的“甚大基线干涉”(VLBI)技术,使用了全球八个大型毫米波望远镜和望远镜阵列组网,其分辨能力可与地球大小口径的望远镜相媲美。

  在“事件视界望远镜”项目中,中国科学院天文大科学研究中心(国家天文台、紫金山天文台和上海天文台)参与了位于美国夏威夷的东亚JCMT望远镜对黑洞的观测,多名中国学者是此次黑洞照片相关论文的作者。这也是此次黑洞照片在全球六地同步发布,上海名列其中的原因。

  不过,中国天文学界清醒地认识到目前的“参与者”角色。中国科学院国家天文台副台长薛随建指出,这次“算是重在参与”,但为在相关科研领域“机制性参与国际合作组织、逐渐发挥越来越重要的作用,做出了良好的示范”。

  太空可能是中国未来能发挥更多作用的地方。项目科学委员会主席法尔克说,今后要拍摄更好的黑洞照片,就需要比地球还大的望远镜,这就需要走向太空,“中国在射电干涉测量技术和太空探索方面的能力正快速增长,我期待未来中国能成为这个领域的重要一员”。

  范璐璐:这次拍照拍的是最靠近黑洞的部分,所以更像是和黑洞的一次“亲密”接触。在天文上,黑洞仍然是一大研究热点,现在所说天文重大研究问题“两暗一黑三起源”中的一黑就是指黑洞。黑洞之所以神秘,一方面源自其独特的性质;另一方面是我们对其的了解仍然有限。这次给黑洞拍照是黑洞研究过程中的一个重大成果,但也仅仅是黑洞诸多研究中的一环,我们需要更多更大的观测设备,并希冀很多的年轻人投入到这方面的研究当中,从而逐步揭开黑洞神秘的面纱。

  黑洞给人们的印象一直神秘莫测。那么黑洞是如何形成的呢?山东师范大学附属中学物理高级教师刘玉修介绍,恒星不断燃烧,内部进行热核反应,在衰老之后内部收缩。收缩后根据恒星质量不同结果不同。对此,他形象地比喻相当于恒星“累死”了之后变成了某种“尸体”。

  “第一种质量较小的恒星比如太阳,衰老死亡后变成白矮星。”刘玉修说,质量再大一些的恒星衰老死亡后变成中子星,质量更大的衰老死亡后就变成了黑洞。黑洞是恒星经过衰老最后形成的一种星体。

  美国天文学家钱德拉塞卡预言:恒星核心质量小于太阳1.44倍的恒星将会演化为白矮星。核心质量大于1.44倍太阳质量而小于3.2倍太阳质量,整体为太阳8-15倍质量将演化为中子星,核心超过3.2倍太阳质量,演化为黑洞。“这个演变过程是非常漫长的。如太阳的寿命还有50亿年左右,对于人类来说太漫长了。”刘玉修说。

  黑洞是不是像人们根据字面想象的,是一个大黑洞呢?对此,刘玉修分析,黑洞的特点是体积很小,但质量很大,所以吸引力特别大,能把所有物体都吸引到它里面,包括可见光。人类之所以能看到物体,是因为物体本身能发光,或者能够反射光,这些黑洞都不具备,所以黑洞直接用肉眼是观测不到的。“但是可以通过一些其他观测方法证明它的存在。”刘玉修介绍,根据黑洞对周围天体产生的一些影响,或者对光线产生偏折影响等,通过天文特殊方法是可以观测到的。

  2019年4月10日,人类终于得见黑洞的真容!这张照片,证实了神秘天体黑洞的存在;这张照片,使得爱因斯坦的百年猜想终得检验!人类揭秘宇宙的速度从未像今天这么快,但速度的背后却是百年的积累、沉淀与等待。

  为了这一“眼”,人类等了100多年。从爱因斯坦的广义相对论,到惠勒的“黑洞”概念,再到霍金的“黑洞理论”……已故的科学大师虽未亲眼得见黑洞真容,但他们的猜想却激励着后人不断求解,把他们的理论付诸实践。

  为了这一“眼”,人类插上了想象的翅膀。在电影《星际穿越》中,黑洞“卡冈图雅”是那深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆圈。

  为了这一“眼”,无数科学家仰望星空、低头演算,日复一日、年复一年,只为花开的那一刻。全球30多个研究所200多位科学家参与到了一项庞大科学计划,为联合世界各地的8台射电望远镜,人类花费10年,制图又耗费2年。

  为了这一“眼”,人类把创造力和想象力发挥到了极限。由8只“眼睛”组成的虚拟“事件视界望远镜”,北至西班牙、南至南极,口径达到了地球直径。这一“巨眼”,带领人类穿越星空,从海量的数据中,去勾勒黑洞容颜。

  探秘宇宙不能仅靠一国之力。它需要自主创新,更需要人类的共同努力。对于这样一个大科学计划,人类依靠通力协作,让黑洞露出真颜,以眼见为实的方式,证实了黑洞的存在,试图解答星系中的壮观喷流如何产生并影响星系变迁。

  这一“眼”,虽然用了百余年,但正是怀揣着揭开未知的梦想,秉承科学探索的精神,让人类在探秘宇宙的征途上不断开启新的窗口。探秘宇宙的伟大事业,始于梦想、基于创新、成于实干。梦想不仅支撑科学进步,更支撑人类一往无前!

  今天,当仰望浩瀚星空的孩子问你:“宇宙有黑洞吗?”你可以自豪地回答:“看!这就是黑洞的样子!”

  扩展学习相关知识

  事件视界:

  在黑洞周围,光线不能逃脱的临界范围被称为黑洞的半径或“事件视界”。根据著名理论物理学家霍金的理论,黑洞“事件视界”并非“有去无来”的单行车道。尽管物体一旦被吸入黑洞就会永远消失,但如果经过数十亿年的时间,黑洞可能会“渗出”一些被吸入物质的蛛丝马迹。

  由于黑洞非常遥远且半径很小,以往设施没有足够的分辨率来直接观测黑洞,而是用观察周围恒星运动、吸积盘和喷流乃至引力波等间接方法来进行探测。

  事件视界望远镜:

  “事件视界望远镜”就是为观测黑洞的“事件视界”而设计的。它由分布在全球多地的射电望远镜组成,相当于一台口径为地球直径的超级望远镜。2017年4月,从美国夏威夷到智利、从伊比利亚半岛到南极的这些望远镜在同一时刻对准M87中心黑洞拍照,其难度相当于从地球上给月球表面的一个橙子成像。照片经过近两年的数据处理及理论分析后“冲洗”完成。

  白矮星:

  白矮星(White Dwarf,也称为简并矮星)是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为它的颜色呈白色、体积比较矮小,因此被命名为白矮星。表面温度8000K,发出白光,可有几十亿年寿命。

  中子星:

  中子星(neutron star),为除黑洞外密度最大的星体,是恒星演化到末期,经由重力崩溃发生超新星爆炸之后,可能成为的少数终点之一,质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于白矮星和黑洞之间的星体,其密度比地球上任何物质密度大相当多倍。绝大多数的脉冲星都是中子星,但中子星不一定是脉冲星,有脉冲才算是脉冲星。

  光年:

  光年是长度单位,用来计量光在宇宙真空中沿直线传播了一年时间的距离,一般被用于衡量天体间的时空距离,其字面意思是指光在宇宙真空中沿直线传播了一年时间所经过的距离,为9,460,730,472,580,800米,是时间和光速计算出来的单位。光年一般是用来量度很大的距离,如太阳跟另一恒星的距离。光年不是时间单位。在天文学,秒差距是另一个常用的距离单位,1秒差距=3.26光年。

  例如,世界上最快的飞机可以达到每小时11260千米的时速(2004年11月16日,美国航空航天局(NASA)的飞机最高速度纪录是11260千米/小时)。依照这样的速度,飞越1光年的距离需要用95848年。

  (部分内容整理来自网络,齐鲁晚报,新华社,舜网,澎湃新闻等)

  借着大家对黑洞照片的认知,把相关黑洞的其他的知识也整理了下,以供网友们能够更加全面的了解一下黑洞,还是那句话,我学习,我分享,我快乐!

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责编:魏少璞
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