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黑洞也“发光”像个甜甜圈

2019-4-11 10:47:23 来源:新华社

       千呼万唤始出来。人类有史以来获得的第一张黑洞照片在昨日公布。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。那么,这张照片在科学上到底有多重要?拍到黑洞照片有多难?中国又发挥了什么作用?

 

 

这是人类史上首张黑洞照片。新华社发



  爱因斯坦又对了


  “黑洞”作为一个科学术语在20世纪60年代才由美国天体物理学家约翰·惠勒提出。但在两百多年前,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相对论预言了黑洞的存在,可用于计算出这种天体的若干性质。


  黑洞引发无数遐想,但没人知道它在现实之中的真正模样。正因如此,首张黑洞照片备受期待。“我们的宇宙中有两大理论,爱因斯坦的相对论描述了宏观,量子力学描述了微观,但是在黑洞的边缘,相对论与量子力学无法协调,在那里可能会发现新的东西。”给黑洞拍照的“事件视界望远镜”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,这涉及人类对宇宙的根本了解。


  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”。“事件视界望远镜”实际上尝试观测的是黑洞的“事件视界”。项目专家表示,给黑洞拍照的关键科学目标之一,就是验证广义相对论在黑洞那里是否仍然成立。


  这也是对一百年前日食观测的“回响”。1919年,人们在非洲和南美出现日食时观测到光线的弯曲,从而验证了相对论的正确性。最新发布的黑洞照片,又一次支持广义相对论。不由让人想起被多次重复的那句话:爱因斯坦又对了。


  此前科幻电影《星际穿越》中有科学家顾问根据相对论等模拟的黑洞图片,两者较相似。“事件视界望远镜”项目专家认为,与理论预测一致,也反过来证明拍到的就是黑洞。



  距地球5500万光年


  “我们已经完成了上一代人认为不可能做到的事情,”项目主任、美国哈佛-史密森天体物理学中心天文学家谢泼德·杜勒曼说,“技术的突破、世界上最好的射电望远镜之间的合作、创新的算法”携手打开了一个“了解黑洞的全新窗口”。


  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。此次拍照的一个目标是代号M87的超巨椭圆星系中心黑洞,距离我们有5500万光年,实在太远。


  要拍摄这么远的对象,科学家要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”,实际上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,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。


  德国马克斯·普朗克射电天文研究所所长、黑洞照片数据分析机构负责人安东·岑苏斯对这项技术打了个比方:“如果地球是平的,那使用这一技术可以从波恩读到纽约街头报纸上的字。”


  望远镜数据又经过约两年的处理及理论分析,才成功“冲洗”出黑洞照片。此次合作汇集了全球超过200名研究人员的共同努力,项目协调也非易事。法尔克说:“不同文化、不同机构、不同国家和大洲在这里走到一起,合作不总是容易的,但如果有共同愿景的驱动,有首次看到黑洞的共同梦想,合作就变得可能。”



  中国成“重要一员”


  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)参与运行了位于夏威夷的JCMT望远镜对黑洞的观测,多名中国学者是本次在《天体物理学杂志通讯》发表的黑洞照片相关论文的作者。


  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”,但为中国在相关领域“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发挥更多作用的地方。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。”


  回顾与国际专家共同获取人类首张黑洞照片的经历,中国科学院上海天文台研究员路如森说:“作为长期深度参与‘事件视界望远镜’国际合作的中国研究人员,我觉得这张黑洞照片是科学共同体的努力结果。科学对人类发展至关重要,人类的科学共同体也是人类命运共同体的重要组成部分。”



  科研领域全球同步


  从美国夏威夷到智利,从伊比利亚半岛到南极……全球30多个研究所,200多名科学家,倾数年心血,携手并肩。正是全球同步的努力,让人类拍摄到有史以来首张黑洞照片。


  在这一“兴师动众”的过程中,科研领域全球同步的作用愈发凸显。正如法尔克所说,这样的项目需要整个世界。事实上,观测黑洞项目,让地球上几乎所有这一领域的研究人员都不同程度地以不同方式参与其中。科学探索,正让整个世界以不同寻常的方式更紧密地连接在一起,不仅让地球,也让人类成为一个共同体。


  无论是对黑洞概念懵懵懂懂的早期天文学家、发表广义相对论的爱因斯坦、获得黑洞存在证据的引力波项目团队,还是今天共同拍摄黑洞照片的各国科研人员,让人类持续探索并不断取得进步的动力之一,正是人类作为一个共同体对宇宙和自身的好奇心。


  探索未知,是人类拓展自身疆界的重要过程。天文学的进步,也同时推动数学、物理学、化学、计算机等多个学科并肩前行。而只有多领域、多学科并行发展,更大尺度地拓展国际合作范围、更深入地探索国际合作模式,人类探索未知的视野才可能变得更加开阔。


  无论仰望星空,还是审视自己,当地球上的人们全体凝视同一方向,如同黑洞这样曾经深藏不露的未知,终将一个接一个“显露光芒”。



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  吞噬一切的黑洞


  科学界普遍认为,黑洞是宇宙中最神秘的天体,几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,其周围形成一个强大的引力场,在一定范围之内,连光线都无法逃脱。


  这个边界称作“事件视界”,本次发布黑洞照片的国际组织,就叫做“事件视界望远镜”项目。


  根据理论推算,银河系中光恒星量级的黑洞就有上千万个。天文学界认为,许多星系中央都有超大质量黑洞。


  天文学家根据质量将宇宙中的黑洞分成了三类:恒星级质量黑洞(几十倍至上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。


  尽管黑洞无法直接观测,但由于黑洞的引力会吸积物质到它附近,周围通常都有一个吸积盘环绕。吸积盘非常热且亮,与黑洞对比明显,因此可以通过观测吸积盘来为黑洞拍照。综合新华社电