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万众瞩目!人类历史上第一张黑洞照片来了!

时间:2019-04-11  来源:新民晚报  作者:记者 董纯蕾 见习记者 郜阳

  人类首张黑洞照片。图片来源:事件视界望远镜国际合作组织

  何其幸运,从此刻起,我们成为史上第一代“看见”黑洞的人!

  它和你想象的一样吗?是像一面燃烧的火墙、张开血盆大口的黑暗怪兽,还是和《星际穿越》中的卡冈图雅黑洞一样,有着深不见底的黑色中心?

  电影《星际穿越》中的卡冈图雅黑洞

  一切的猜想在北京时间2019年4月10日21时07分宣告结束。这一刻,在中国上海和台北、在比利时布鲁塞尔、在智利圣地亚哥、在日本东京、在美国华盛顿,事件视界望远镜(EHT)国际合作组织的科学家们用汉语、西班牙语、日语和英语同时发布了世界上首张黑洞照片,这是超大黑洞的第一个直接视觉证据。这张备受全球瞩目的“照片”揭示了室女座星系团中超大质量星系 Messier87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍,是从地球上望去最大的黑洞之一。

  “爱因斯坦是对的。”中国科学院上海天文台台长、研究员沈志强在发布会上肯定地说。在理论上,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体,它具有超强的引力,使得宇宙中最快的光也无法逃脱它的势力范围。广义相对论的提出,距今已经104年了。为什么要给黑洞拍照?这照片缘何迟迟才能拍到?怎么给黑洞拍摄和冲洗照片?当曾经的遥不可及首次褪去神秘光环,更多的问号也接踵而来。

  黑洞假想图。图片来源:NASA

黑洞其实很“简单”


  黑洞理论的历史,可以追溯到很久以前,但直到上世纪70年代,人类才开始利用天文手段开展观测(在此之前,科学家对黑洞的认识停留在“说说而已”的阶段),其后的近50年里,人们一步步逼近黑洞。在这张照片问世前,科学家们通过各种间接证据来表明黑洞的存在。“邻居”恒星、气体的运动暴露了黑洞的踪迹,根据黑洞“进食”发出的光来判断它的存在,抑或是通过“围观”黑洞的成长过程来“看见”黑洞……然而,在这个无图无真相的时代,没有什么比一张照片更有说服力了。

  沈志强说,“从某种意义而言,黑洞其实是一个很简单的天体”。他的意思是,黑洞其实只有质量、旋转和电荷三个要素。2015年9月,人类第一次听到了两个黑洞相互碰撞的天籁之音:引力波。之后,科学家们更是加快脚步,为一探黑洞的“庐山真面目”而努力。2016年起,事件视界望远镜项目(EHT)频繁组织会议,同时也为联合观测做着包括优化数据记录、提高观测灵敏度在内的技术储备。“事件视界”的名字,来源于黑洞的一个专业名词:黑洞一旦形成,就会在其势力范围周围形成一个界面,被称作“事件视界”。

“拍照”和“冲洗”着实不简单

正式给黑洞“拍照”,始于2年前。

  2017年4月5日至14日之间,来自全球30多个研究所的200余名科学家们开展了一项伟大的观测计划——利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜(阵)组成一个虚拟望远镜网络,也被称为“事件视界望远镜”。“世界上该领域的几乎所有科研人员,都不同程度地参与其中了。”沈志强介绍。这是一个总口径等效于地球直径的虚拟巨型望远镜,其分辨本领比著名的哈勃空间望远镜还要高出1000倍,达到的分辨率约20微角秒,足以在巴黎的一家路边咖啡馆阅读到身处纽约的报纸。

  “八兄弟”此次观测目标有两个,一是银河系中心黑洞人马座A* ,另一个位于星系M87中的黑洞,两者都是公认的黑洞研究的最佳对象。值得一提的是,人马座A*是沈志强的“老朋友”了。早在2005年,沈志强领衔的国际天文小组,首次将黑洞人马座A*“锁定”在1.5亿公里直径的区域内,将黑洞的搜索范围缩小了至少一半。

  位于美国夏威夷的SMA(阵) 来源:SMA官网

  观测黑洞,对地理环境有着近乎苛刻的要求,海拔低的地方并不合适,这也直接否决了绝大多数的天文台址。然而,在空气稀薄的高海拔区域,对设备、技术和人,都是考验。“要对黑洞成像,望远镜得足够灵敏,能分辨的细节足够细小,从而保证看得到以及看得清。”中科院上海天文台研究员路如森表示,“满足这些条件,最好的工具莫过于成功应用于我国嫦娥探月工程探测器测定位的甚长基线干涉测量(VLBI)技术。” 路如森和沈志强告诉记者,这些高精尖的望远镜里的工作环境可不友好,通宵作战是必需的,偶尔飙出个高血压也很平常,把重重的磁盘阵列放入设备中还是个力气活,更别提远在地球最南端的南极点了,仅仅是观测数据的取回就花了小半年。

  创建EHT是一项艰巨的挑战,需要升级和连接部署八个现有的射电望远镜(阵)来组成全球网络,而这些望远镜分布在各种具有挑战性的高海拔地区,包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州的山脉、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠以及南极点。包括8名上海天文台科研人员在内的16位中国大陆科学家参与了位于夏威夷莫纳克亚山上的15米望远镜(JCMT)的观测运行,其中一位今天也将出席在美国华盛顿的联合发布会。

  “虽然中国没有大科学设备参与观测,但我们在观测层面做出了具有国际显示度的积极贡献。从EHT的雏形起,我们就一直参与其中。VLBI技术1967年在世界上首次试验成功,中科院上海天文台从上世纪70年代起便开始且始终对推动国内VLBI技术的发展发挥了主导作用。这也是为什么选择上海作为六个发布现场之一的原因。”沈志强的话语中流露着自豪。

  墨西哥的LMT。来源:LMT官网

  还值得一提的是,虽然上海的天马望远镜的最高工作频率是43GHz,不在“事件视界望远镜”之列,但在2017年EHT全球联合观测的3-5月期间,上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜作为东亚VLBI网成员共同参与了密集的毫米波VLBI协同观测,为最终的M87黑洞成像提供了总流量的限制。

  在2017年4月的观测前,科学家们已经利用毫米望远镜对M87星系的黑洞和人马座A*开展了持续多年的“追踪”,并取得了可喜的成果。为了增加空间分辨率,科学家们在此次观测时增加了位于智利和南极的望远镜(阵),这也对观测窗口的天气提出了更苛刻的要求。“特别幸运的是,观测期间,分布在全球六地的8面射电望远镜(阵)所在地的天气都出奇的好。”沈志强告诉记者。

  为黑洞拍照已是一项复杂工程,“冲洗”照片更是让人们等了足足两年。对此沈志强解释,科学家们用了大量时间比较分析,希望得到无可置疑的图像。“希望将来大家能记住今天的这一时刻。”

神秘天体的神秘“阴影”


  黑洞自身并不发光,那么,给黑洞“拍照”究竟是拍什么呢?答案是黑洞的“阴影”,就好像是给神秘的黑洞拍了一张神秘的剪影照。据介绍,黑洞以极端方式影响着周围的环境,让时空弯曲,并将周围的气体吸进来。在此过程中,气体的引力能转化成热能,因此气体的温度变得很高,会发出强烈的辐射,很是明亮。“如此一来,黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,我们预期黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域。这正是爱因斯坦广义相对论所预言的,可我们以前从未见过。”EHT 科学委员会主席、来自荷兰拉德堡德大学的海诺·法尔克解释。“这个暗影的形成,源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获。暗影揭示了黑洞这类迷人天体的很多本质,也使得我们能够测量M87中心黑洞的巨大质量。”

  2005年,沈志强领衔的国际研究组用散布于美国大陆的10面25米射电望远镜组成的甚长基线干涉阵获得了世界上第一张3.5毫米波长的人马座A* 图片。这一次,“八兄弟”的工作波段为1.3毫米。“在现实生活中,2.2毫米几乎微不足道。可在天文观测中,这是一个跨越式的提升,足以让我们看清黑洞的阴影。”沈志强表示。

  取得首张黑洞照片,对于科学家们而言更是一种激励。如今,他们已经紧锣密鼓开始了可以工作在375GHz频率、0.8毫米波长的射电望远镜的测试工作。“对M87中心黑洞的顺利成像绝不是 EHT 国际合作的终点站,”上海天文台台长沈志强研究员说。“随着法国阿尔卑斯山IRAMNOEMA天文台、格陵兰望远镜和美国基特峰望远镜的加入,未来EHT的灵敏度将显著提高。我们期望观测更多黑洞,更多天体,也相信在不久的将来EHT会有更多令人兴奋的结果。”
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