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黑洞到底是个什么“洞”

2019-4-10 10:52:46 来源:综合新华社、央视、中央人民广播电台等报道

        10日,全球六地将通过协调召开全球新闻发布会,“事件视界望远镜(EHT)”将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果,人类首张黑洞照片即将在全球六地同步发布。


  黑洞这个人类一直试图去破解的难题,一时间再次成为公众的焦点。首张黑洞照片即将面世,在此之前,我们先来了解一下黑洞究竟是如何形成的?黑洞到底有多黑?科学家是如何拍到黑洞的?



  六地同时发布


  据“事件视界望远镜”项目官网发布的消息,美国东部时间10日9时(北京时间10日21时),在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京将同时召开新闻发布会,以英语、汉语、西班牙语、丹麦语和日语发布“事件视界望远镜”的第一项重大成果。


  一些重要嘉宾将参加在美国华盛顿全国记者协会举行的发布会,包括“事件视界望远镜”项目主任、美国哈佛-史密森天体物理学中心资深天文学家谢泼德·杜勒曼、项目重要资助方美国国家科学基金会主席弗朗斯·科尔多瓦等。美国国家科学基金会官网首页有关发布会的介绍中写道:“关于黑洞的历史性宣布。”


  黑洞是一种质量极大的天体,具有非常强的引力,在它周围的一定区域内,连光也无法逃逸出去,这个边界称为“事件视界”。2017年4月“事件视界望远镜”启动拍照时,科尔多瓦曾发表声明说,这是“一项令人激动并具挑战性的工作”,将有助于验证一些最基本的物理学理论。


  黑洞照片“冲洗”用了约两年时间。今年3月,出席2019年美国“西南偏南”多元创新大会和艺术节的杜勒曼告诉新华社记者:“对这个项目的成功我们非常乐观,实际上我们已经完成了几乎所有工作。”包括中国科学院上海天文台在内的一些国内机构参与了此次国际合作。



  到底啥是黑洞


  “简单来说,黑洞是一个连光线都不能逃脱的致密黑色球体。”中科院国家天文台研究员,中国科学院大学教授,国家天文台恒星级黑洞研究创新小组负责人苟利军介绍,因为其黑洞的质量集中在一个非常小的范围,但是引力非常强,所以会在周围形成一片逃逸速度大于光速的区域,这片区域就是大家所说的黑洞。


  黑洞自身不发光,难以直接探测,大大小小的望远镜对于直接观测遥远黑洞力有不逮。苟利军介绍,为此,科学家们便采用一些间接方式来探测黑洞——比如观察吸积盘和喷流。在某些时候,恒星量级(从3个太阳质量到100个太阳质量大小)的黑洞会存在于一个恒星周围,将恒星的气体撕扯到它自己身边,产生一个围绕黑洞旋转的气体盘,即吸积盘。


  当吸积气体过多,一部分气体在掉入黑洞视界面之前,在磁场的作用下被沿转动方向抛射出去,形成喷流。吸积盘和喷流两种现象都因气体摩擦而产生了明亮的光与大量辐射,所以很容易被科学家探测到,黑洞的藏身之处也就暴露了。“根据探测中心天体周围恒星的运动,科学家推断在银河系中心也有一个黑洞存在。”苟利军举例说。

  事实上,人类对黑洞的探索早在18世纪就开始了,对黑洞的了解贯穿了人类科技飞速发展的近300年时间。18世纪法国科学家拉普拉斯曾提出,在宇宙中有一种天体,它的引力非常强,以至于光线都无法逃脱,他把这类天体称为“暗星”,苟利军介绍,这就是科学家对黑洞最原始的想法。



  “拍照”有神器


  而真正对于黑洞的推导来自爱因斯坦提出的广义相对论,在广义相对论提出几个月后,德国物理学家史瓦西1916年推导出广义相对论球对称引力场的严格解,还提出了物体的史瓦西半径的概念。当一颗恒星发生引力坍缩、收缩到这一半径大小时,就会变成黑洞。1962年,新西兰物理学家罗伊·克尔解决了旋转黑洞(即克尔黑洞)的引力场和时空问题。


  但以上仅仅是理论上的研究,人类对于黑洞的观测始于20世纪60年代末。70年代初,一次偶然的机会,科学家观测天鹅座X-1 ,发现其X光强度有波动,并推断其是一个黑洞系统。苟利军介绍,到目前为止,银河系中人类观察到,并且有精确质量测量的黑洞大约有20个,整个银河系中可能有上亿个黑洞存在。


  发现黑洞不易,给它拍照就更难了。这次发布会的通知上,“事件视界望远镜(EHT)”的出现无疑让人十分好奇。什么是事件视界?事件视界望远镜又有什么特点呢?


  根据苟利军介绍,上个世纪初,爱因斯坦提出的广义相对论预测黑洞不仅存在,而且还是宇宙中一些极端现象的“幕后推手”。黑洞是一种体积极小、质量极大的天体,具有非常强的引力,在它周围的一定区域内,连光也无法逃逸出去,这一区域称为“事件视界”。“事件视界望远镜”实际上尝试观测的是黑洞的“事件视界”。



  首次确认存在


  苟利军此前在一篇文章中介绍,2017年的4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划,利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,人类第一次看到黑洞的视界面。这个虚拟的望远镜网络被称为“事件视界望远镜”,其有效口径尺寸将达到地球直径大小。


  其原理是通过甚长基线干涉测量技术(VLBI),科学家用多个天文望远镜同时观测一个天体,模拟一个大小相当于望远镜之间最大间隔距离的巨型望远镜的观测效果,它的口径大小取决于望远镜系统中最远的两个望远镜之间的距离,而口径越大,分辨率越高,细节也就越清晰。


  那么如何选择拍摄对象呢?苟利军介绍,为了更利于观测,科学家在选定时会倾向于选择视大小更大的单位,最终确定了两个黑洞作为拍摄重点,一个是位于银河系中心的“人马座A”,另一个位于代号为M87的超巨椭圆星系中心。对于这次发现的意义,苟利军认为,最直接的意义就在于人类第一次直接确认了黑洞的存在,“此前有很多间接证据证明黑洞的存在,但不排除还有一丝是其他星体的可能性,这次的发现就能直接说明黑洞的存在。”


  对于黑洞研究的下一步方向,苟利军认为,科学家可能会进一步提高黑洞照片的清晰度,“这样我们也可以去更进一步了解黑洞周围的环境。”此外,他认为,黑洞周围气体的运动也将是科学家进一步探索的方向之一。 综合新华社、央视、中央人民广播电台等报道