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黑洞到底长什么样?在2019年4月10日之前,没有人知道确切的答案。

科幻电影里经常喜欢描绘黑洞,并给出自己的想法。近年来最出名的一部与黑洞相关的电影莫过于2014年上映的《星际穿越》,它让观众们“亲眼”看到了黑洞的样子。

这个名叫“卡冈图雅”的黑洞由黑色天区与明亮光环构成,相对论物理学家基普·索恩为影片设计了这个黑洞形象。2015年2月,该影片相关的可视化黑洞论文发表在期刊《Classical and Quantum Gravity》上,一定程度代表了学界对黑洞外观的看法。

《星际穿越》中的黑洞“卡冈图雅”

然而,你可以想象吗?《星际穿越》上映五年后,人类居然真的可以看到黑洞的真容了!身为有史以来第一批“看见”黑洞的本届人类,小编真的很开心啊!

北京时间2019年4月10日晚间,事件视界望远镜省考与选调生考试时间(EHT)宣布了超大质量黑洞的照片。真实的黑洞是长这个样子的:

超大质量黑洞M87中心的影像, 来源:21Tech

这次拍的是哪个洞?

黑洞一向在宇宙间神秘莫测。

这个连光线都无法逃脱其视界的物体,被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)描述其为“不可思议的天体”。它由一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小、热量无限大的奇点,加上周围一部分空空如也的天区组成,吞噬着临近宇宙区域的所有光线与物质。

其中,黑洞的几乎所有质量都集中在奇点上,它也是黑洞强大引力场的中心。奇点周围的天区存在一个临界半径,被称为“视界面”。在这个半径内,就是黑洞的“势力范围”。

当前质量天文学家将宇宙中的黑洞分成三类:

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)

中等质量黑洞(介于两者之间)

本次被拍照的就是黑洞界的“大块头”——超大质量黑洞。

不过问题来了,拍照的前提是找到拍照对象。在这个连光线都能吞噬掉的怪物面前,如何才能确定它的位置呢?

据介绍,在这次拍照前,天文学家们通过各种间接的证据来表明黑洞的存在,主要有三类代表性证据:一是恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹,因为黑洞的强引力会对周围的恒星、气体会产生影响;二是根据黑洞吸积物质(相当于“吃东西”)发出的光来判断黑洞的存在;三是通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。

据了解,视界面望远镜此次观测目标主要有两个,一是银河系中心黑洞Sgr A*,二是位于星系M87中的黑洞。之所以选定这两个黑洞作为观测目标,是因为它们的视界面在地球上看来足够大。其它黑洞因为距离地球更远或质量大小有限,观测的难度更大。

其中,Sgr A*黑洞的质量相当于400万个太阳,所对应的视界面尺寸约为2400万公里,相当于17个太阳工程推进会宣传报道的大小。M87中心黑洞的质量则竟然达到60亿个太阳质量,视界范围大约是冥王星轨道的三倍。

拍摄黑洞的正确姿势

确定好位置后,如何进行拍照呢?

据了解,本次拍到黑洞照片的EHT,是通过“甚长基线干涉技术”(VLBI)和全球多个射电天文台的协作,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜——事件视界望远镜。

“拍照并非拍的是可见光波长范围,而是EHT接收黑洞辐射,以此描述黑洞的外形。”一位中科院研究物理学的朋友告诉21tech。

而要看清楚黑洞视界面的细节,望远镜的空间分辨率需要足够高,甚至需要高到哈勃望远镜的1000倍以上。此时“干涉技术”就登场了。

所谓“干涉技术”,是指利用多个位于不同地方的望远镜,在同一时间联合观测,最后将数据进行相关系分析后合并。这种情况下,望远镜的分辨率取自望远镜之间的距离,而非单个望远镜的口径大小。

据了解,此次为黑洞拍照的EHT由8个全球射电望远镜构成,其分辨率相当于一部口径为地球直径大小的射电望远镜分辨率。它们分别是:

l 南极望远镜(South Pole Telescope);

l 位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);

l 位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜(Atacama Pathfinder Experiment);

l 位于墨西哥的大型毫米波望远镜(Large Millimeter Telescope);

l 位于美国亚利桑那州的(Submillimeter Telescope);

l 位于夏威夷的麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);

l 位于夏威夷的亚毫米波望远镜(Submillimeter Array);

l 位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜。

从2018年起,又有格陵兰岛望远镜、位于法国的IRAM NOEMA天文台和位于美国的基特峰国立天文台加入后续研究和校准工作。

另外,据中国科学院大学天文学教授苟利军介绍,其实本次照片拍摄在2017年4月5日至14日之间就已经完成。但由于此次视界面望远镜跨越南北半球,所涉站点区域非常广阔,因此要处理的数据量也异常庞大。

他透露,视界面望远镜每一个晚上所产生数据量可达2 PB (1 PB=1000 TB=1000000 GB),“和欧洲大型质子对撞机一年产生的数据量差不多“。因此,黑洞的“洗照片”过程一直延续至今,直到今晚照片才公之于众。

让我们为这些望远镜宝宝和背后无数的科学家们鼓掌!感谢他们和它们的努力,让我们成为首批看到黑洞真容的碳基生物!

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