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第一張黑洞圖片如何獲得?8個望遠鏡和數百萬次模擬

事件視界望遠鏡捕捉到了M87星系中心超大質量黑洞的圖像事件視界望遠鏡捕捉到了M87星系中心超大質量黑洞的圖像

北京時間4月11日消息,一個多世紀以前,愛因斯坦發表了廣義相對論,而現代物理中的黑洞理論正是建立在該理論的基礎上。近幾十年來,天體物理學家已經為這些神秘天體找到了壓倒性的證據。他們觀察到黑洞對鄰近恒星和行星軌道的作用;他們“聽”到了來自黑洞碰撞產生的振動,即時空漣漪——引力波。但直到現在,他們才“親眼看到了”黑洞。4月10日,事件視界望遠鏡(EHT)國際合作項目的天體物理學家宣布,他們首次捕捉到了黑洞的圖像。

這張圖片拍攝于2017年4月,是由事件視界望遠鏡合作項目在全球使用8臺望遠鏡進行的為期5天的觀測結果。圖片描繪了圍繞室女座星系團中超大質量星系M87中心一個超大質量黑洞旋轉的發光氣體。M87是一個距離地球5400萬光年的星系。然而,黑洞的特征“事件視界”隱藏在明亮的光線之后,那里是時空深淵的邊緣。那里的引力是如此之強,以至于連光線都無法逃脫。亞利桑那大學的費婭爾·厄澤爾(Feryal Ozel)是事件視界望遠鏡合作項目的成員之一,她說:“這是一個沒有反光的點。”在圖像中,事件視界呈現為“光的突然消失”。

此前,研究人員曾在M87黑洞的預測位置捕捉到一團噴射出來的光,但由于觀測儀器遠沒有事件視界望遠鏡那么銳利,他們無法確切地看到黑洞。“這就像從一個廉價的智能手機攝像頭換成了一個高清IMAX影院,”哈佛大學的天體物理學家安德魯·斯特羅明格(Andrew Strominger)說道。他沒有參與這項工作。

這個黑洞的質量大約是太陽質量的65億倍。盡管如此,從地球上較有利的位置看,它依然非常微小,在天空中只有50微弧秒寬,就相當于看一個放在月球上的甜甜圈。它需要8個不同的望遠鏡才能成像。望遠鏡收集的觀測數據以十億分之一秒的精度同步。

為了看清黑洞的明暗邊界,天體物理學家們捕捉到了無線電波——人類肉眼看不見的1.3毫米波長的光,由環繞黑洞旋轉的氣體發出。這些氣體發出各種波長的光,包括可見光,但研究人員選擇了這一特定波長,因為它可以在不被吸收的情況下穿過整個星系,甚至穿過地球大氣層。不過,要想在所有8個望遠鏡所在的地點看到黑洞,還是需要良好的天氣。費婭爾·厄澤爾表示,在開啟望遠鏡之前,他們必須監測空氣中的濕度,過高的濕度會破壞成像效果。為了減少雨水的影響,研究人員在干燥地區建造了望遠鏡,包括南極洲的南極點和智利的阿塔卡馬沙漠。

南極望遠鏡是拍攝黑洞圖像所用的8個射電望遠鏡之一南極望遠鏡是拍攝黑洞圖像所用的8個射電望遠鏡之一

M87黑洞離地球相對較近,望遠鏡接收到的光是它在5400萬年前發出的,所以我們看到的它正處于一個相對更成熟的階段。“在宇宙年齡的這個節點,黑洞已經平靜下來,”費婭爾·厄澤爾說,“它們基本上是在吞噬來自附近恒星的氣體。”M87的黑洞確實釋放出明亮的氣體噴射,但與更遙遠的年輕黑洞相比,它仍然顯得相當暗淡。這些較年輕的黑洞積累了大量的物質,所以它們的發光氣體漩渦更加明亮。

拍攝這張照片花了20年的時間。這項工作的一部分是設計、建造和將各種硬件運送到不同的望遠鏡地點。另一方面,科學家也必須通過盡可能精確地確定黑洞的物理性質,來預測他們可能看到的東西。自2000年研究生時代起,厄澤爾就一直致力于拍攝黑洞。她表示,他們已經對黑洞進行了數百萬次模擬,每個黑洞都有不同的質量、旋轉速度、方向以及其他特征。這些模擬有助于他們了解應該如何設計望遠鏡,以及應該將望遠鏡指向何處。

為了捕捉和解讀第一張黑洞圖片,科學家進行了數百萬次這樣的模擬為了捕捉和解讀第一張黑洞圖片,科學家進行了數百萬次這樣的模擬

不過,研究人員并不只是在追求漂亮的圖片。在宇宙中,黑洞是已知最極端的實體之一。眾所周知,黑洞將大量的質量聚集在一個點上,使得它實際上成為一個密度無窮大的物體。這種密度產生了巨大的引力,沒有人能看到它的內部。厄澤爾說:“它們是宇宙中唯一能創造出宇宙其他部分無法到達的時空區域的物體。”正是因為黑洞如此極端,研究人員才迫切想要了解它們的特征,看看它們是否與廣義相對論的其余部分吻合。“我們都覺得自己對空間和時間有一種直覺,但愛因斯坦告訴我們,這種直覺只有在我們已經習慣的情況下,也就是引力場非常弱的情況下才會成立,” 斯特羅明格說,“當引力場變強時,會發生各種各樣瘋狂的事情。”

迄今為止,研究人員所觀察到的關于M87黑洞的一切——它的質量和事件視界大小——都與愛因斯坦的理論相一致。但未來更詳細的觀察可能會揭示出意想不到的特征。斯特羅明格希望看到類似M87這樣快速旋轉的黑洞的圖像。根據理論計算,如果黑洞旋轉得足夠快,它們就會在時空中形成一個蟲洞。未來的黑洞圖像可能有助于證實或駁斥這些假設。斯特羅明格期待著有一天,當圖像足夠清晰時,我們可以看到一個黑洞及其相關的蟲洞。“這真的是非常,非常奇特而科幻的東西,而我們可能有朝一日將看到它,”他說。

厄澤爾說,這張照片僅僅是個開始。研究人員計劃把望遠鏡轉向其他黑洞,收集完整的黑洞圖像簿。他們還計劃對這個黑洞拍攝更多、質量更好的圖片,以便更詳細地了解它的特征和行為。(任天)

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