黑洞長啥樣?人類終於要拍下第一張真正的照片了

說實話,我並不確定!

從廣義相對論推知而來的黑洞,就存在於宇宙深處,這一點在21世紀的今天或已無可置疑。黑洞確鑿地存在於無數觀測數據之中,但我們並不知道它在現實中的真實模樣。如今,人類終於要為黑洞拍下第一張真正的照片了。

黑洞長啥樣?人類終於要拍下第一張真正的照片了

2017年的4月5日到14日之間,來自全球30多個研究所的科學家們開展了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃,利用分佈於全球不同地區的8個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網絡,人類第一次看到黑洞的視界面。這個虛擬的望遠鏡網絡被稱為“事件視界望遠鏡”(Event Horizon Telescope, EHT),其有效口徑尺寸將達到地球直徑大小。人類在2015年第一次聽到了兩個黑洞相互繞轉合併所產生的引力波之聲,從那以後,科學家們又在為親眼目睹黑洞真容而努力了。

無論我們最終得到的黑洞圖像是什麼樣子——是像電影畫面一般壯觀恢弘,或者只有幾個模糊的像素點——事件視界望遠鏡都意義非凡,這是我們在黑洞觀測史上邁出的重要一步。觀測結果不僅僅是一張照片那麼簡單,它一方面呼應著愛因斯坦的廣義相對論,一方面也將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產生並影響星系演化的。我們將成為有史以來第一批“看見”黑洞的人類,真是好運氣。

無圖無真相,科學家怎麼知道黑洞在那裡?

儘管“黑洞”(black hole)一詞在1968年才由美國天體物理學家約翰·惠勒提出來,但早在1783年,英國地理學家約翰·米歇爾(John Michell)便已經意識到:一個緻密天體的密度可以大到連光都無法逃逸。這也是普通人在今天對於黑洞的最基本認識:吸入所有一切,連光都逃不出來。

黑洞長啥樣?人類終於要拍下第一張真正的照片了

既然想一睹黑洞“芳容”,我們對這個遙遠天體的認識就得再多些。黑洞的幾乎所有質量都集中在最中心的“奇點”處,“奇點”在其周圍形成一個強大的引力場,在一定範圍之內,連光線都無法逃脫。光線不能逃脫的臨界半徑被稱為“視界面”——顧名思義就是視線所能到達的界面。你大概感到好奇:登山家們勇攀高峰的原因是“山就在那裡”,可是,既然天文學家們根本看不到黑洞,他們是怎麼確定“黑洞就在那裡”的呢?

黑洞自身不發光,難以直接探測,大大小小的望遠鏡對於直接觀測遙遠黑洞力不能逮。科學家們便只能夠“曲線救國”,採用一些間接方式來探測黑洞——比如觀察吸積盤和噴流。

理論很豐滿,現實很骨感。以我們的銀河系為例,根據理論推算,銀河系中應該存在著上千萬個恆星量級的黑洞,可到目前為止,我們只確認了20多個黑洞的存在,此外還有4、50個黑洞候選體。

要最終真正確認一個天體是否為黑洞,我們還需要做出更多測量與計算。要探測一個從幾十萬個太陽質量到幾十億甚至上百億個太陽質量的超大質量黑洞,挑戰就更大了,科學家們為了確認銀河系中心黑洞Sgr A*的存在,著實費了不少力氣。

發現黑洞已如此不易,給它拍照豈不是更難?

從17世紀初人類發明望遠鏡至今,天文望遠鏡的口徑已變得越來越大,從最早的2.5釐米口徑,到目前最大的10米口徑光學望遠鏡,還有我國貴州的500米口徑射電望遠鏡,下一代更大口徑的望遠鏡也正在計劃或建設當中,這些望遠鏡無一不凝結了人類的智慧,甚至代表了人類社會的最高科技水平。然而,要想觀測遙遠黑洞,依靠目前任何單個望遠鏡都還遠遠不夠。因此,在過去10多年時間裡,麻省理工學院(MIT)的科學家們聯合了其它研究機構的科研人員,開展了激動人心的“事件視界望遠鏡”項目,全球多地的8個亞毫米射電望遠鏡將同時對黑洞展開觀測

黑洞長啥樣?人類終於要拍下第一張真正的照片了

8個望遠鏡同時看到2個黑洞,每年只有10天窗口期

要想看清楚兩個黑洞視界面的細節,視界面望遠鏡的空間分辨率要達到足夠高才行。要多高呢?比哈勃望遠鏡的分辨率高出1000倍以上。

在這種情況下,望遠鏡的分辨率取決於望遠鏡之間的距離,而非單個望遠鏡口徑的大小,所以,事件視界望遠鏡的分辨率相當於一部口徑為地球直徑大小的射電望遠鏡的分辨率。

為了增加空間分辨率,以看清更為細小的區域,科學家們在此次進行觀測的望遠鏡陣列裡增加了位於智利和南極的望遠鏡。要保證所有8個望遠鏡都能看到這兩個黑洞,從而達到最高的靈敏度和最大的空間分辨率,留給科學家們的觀測窗口期非常短暫,每年只有大約10天時間。

除了黑洞“芳容”幾何,這一觀測還將為我們解答諸多問題

給黑洞拍張照片不容易,“洗照片”更是耗時漫長。射電望遠鏡不能直接“看到”黑洞,但它們將收集大量關於黑洞的數據信息,用數據向科學家們描述出黑洞的樣子。

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在觀測結束之後,各個站點收集的數據將被彙集到兩個數據中心(分別位於美國麻省Haystack天文臺和德國波恩的馬普射電所)。在那裡,大型計算機集群將會對數據時間進行合併與分析,從而產生一個關於黑洞的圖像。這一分析所需的時間少則半年,長則一年。

萬事具備,只欠東風。

設備準備就緒之後,剩下一個非常重要的因素,就是天氣以及觀測時間了。因為大氣中的水對這一觀測波段的影響極大,要想事件視界望遠鏡順利觀測,需要所有8個望遠鏡所在地(從夏威夷到智利,從墨西哥到南極)的天氣情況都非常好。目前這些望遠鏡所在之處通常都是位於海拔較高,另外降雨量也是極少,所以全部晴天的概率其實非常高。

當所有數據被合併,最終得到圖像時,包括我在內的天文學家們,希望看到這樣一副圖像:一個黑色的圓盤,被一個非常靠近黑洞視界面、很亮的光子圓環所圍繞;因為黑洞轉動的多普勒效應,光子圓環一側較亮,另外一側較暗。

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天文學家們希望能夠通過這一觀測結果,對愛因斯坦的廣義相對論做出最為嚴格的限制。與此同時,黑洞圖像將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產生並影響星系演化的。

當然,這是科學家心中的理想圖景,實際得到的黑洞圖像可能要差很多。但無論最終的圖像如何,即便是隻能夠看到幾個像素,此次視界面望遠鏡的觀測也將是人類黑洞觀測史上的重要一步。

我們是何其幸運,將成為這宇宙中第一批親眼看到黑洞的碳基生物。


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