人類首次直接拍攝到黑洞!


人類首次直接拍攝到黑洞!



首張黑洞照片揭曉,人類第一次看到黑洞的視界面!它由有效口徑相當於地球直徑的望遠鏡陣列觀測到,經過2年“沖洗”,這顆黑洞位於代號為M87的星系當中,距離地球5300萬光年之遙,質量相當於60億顆太陽之和。

黑洞概念的起源

黑洞概念的起源要回溯到1783年,雖然那得黑洞概念與我們如今所說的黑洞其實沒太大的關係。

英國地質學家米歇爾(John Michell)利用牛頓萬有引力定律和光的微粒說得到了一個推論,如果一顆直徑比太陽大幾百倍,密度與太陽一樣的星球,物體在它表面的逃逸速度將會超過光速C。這意味著該星球對遠方觀測者來說將成為一顆“暗星”(dark star),因為作為微粒的光將無法從它表面逃逸到遠方就被引力拉了回來。

不久之後(1796年)法國數學家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)在其著作《世界體系》中也提出了類似的推論。這個在今天看來只有中學水平的推論,就是黑洞概念的萌芽。

但是,真正現代意義上黑洞概念的起源是在愛因斯坦發表“廣義相對論”之後的事情。

人類首次直接拍攝到黑洞!


1916年,在“廣義相對論”剛剛提出後,德國數學家、天文學家史瓦西(K.Schwarzschild)就求得了愛因斯坦場方程的第一個嚴格解,即史瓦西外部解或史瓦西度規。從這個解中,我們可以得到很多推論,比方說如果把太陽壓縮成一個半徑不到3公里的球體,外部觀測者就將再也無法看到陽光,這就是一種現代意義下的黑洞——史瓦西黑洞。

與米歇爾和拉普拉斯的“暗星”不同,現代意義下的黑洞具有很豐富的物理內涵,並且不依賴於象光的微粒說那樣的前提。1939年,“原子彈之父”奧本海默(J.R.Oppenheimer)及其合作者從廣義相對論出發,再次預言了黑洞的存在。1963年,克爾(R.P.Kerr)得到了場方程的另一個重要的解:穩態軸對稱真空解。該解比史瓦西解更為複雜、普遍,含有更多的物理信息,可以描述轉動星體外部時空的情況,為黑洞的研究提供了很好的理論模型。

人類首次直接拍攝到黑洞!


後來英國理論物理學家霍金和英國數學物理學家彭羅斯提出了“奇性定理”,論證了一旦坍縮物質的質量超過一定界限,就會不可避免的坍縮成為一個黑洞,物質最終都會落向一個密度無窮大的“奇點”。1974年,霍金根據熱力學定律和量子場論提出了“霍金輻射”的概念,打破了過去人們認為的黑洞只吸收物質和輻射的觀念。黑洞也在極其緩慢的釋放各種輻射,雖然極其緩慢罷了。

關於黑洞,法國天文學家盧米涅也說過一段話,他說:“黑洞是恆星死亡後的一種殘骸,它是引力收縮的極點,極端到近乎荒唐(指它的一些性質用現有的物理學知識無法解釋)。但它又是宇宙當中最精美的天體。瞭解黑洞並深感困惑之後,會使我們進入一個展示時間、空間、光和物質深刻本質的更加深邃的新視野。”

宇宙中,根據質量天文學家們將宇宙中的黑洞分成三類:恆星級質量黑洞(幾十倍至上百倍太陽質量)、超大質量黑洞(幾百萬倍太陽質量以上)和中等質量黑洞(介於兩者之間)。

黑洞到底什麼樣子?


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1978年,盧米涅給出了黑洞事件視界的第一幅圖像。但這不是一張真正的照片,而是他利用自己的數學知識和相關技術以及60年代的一臺IBM 7040穿孔卡片計算機對黑洞景象進行的電腦模擬。

利用電腦模擬產生的數據,盧米涅用鋼筆和印度墨水在底片上描繪黑洞,整個過程就像是一臺人體打印機。這幅模糊的圖像展示了觀察者靠得足夠近時看到的一個扁平盤內物質墜入黑洞的景象。

2014年,為了拍攝科幻大片《星際穿越》的需要,在著名物理學家基普·索恩教授指導下,利用計算機生成了一個更接近真實的黑洞圖片。


人類首次直接拍攝到黑洞!


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而在EHT項目啟動前,天文學家們是通過各種間接的證據來表明黑洞的存在,主要有三類代表性證據:一是恆星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力,對周圍的恆星、氣體會產生影響,科學家可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在;二是根據黑洞吸積物質(相當於“吃東西”)發出的光來判斷黑洞的存在;三是通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。

盧米涅繪出黑洞事件視界的第一幅圖像40餘年後,人類首次目睹黑洞的“真容”。

2017年4月,EHT項目啟動。EHT通過“甚長基線干涉技術”(VLBI)和全球多個射電天文臺的協作,構建一個口徑等同於地球直徑的“虛擬”望遠鏡——事件視界望遠鏡。

此前,該項目宣佈,用這一虛擬望遠鏡“拍照”的重點對象是兩個黑洞,一個是位於銀河系中心的“人馬座A*”,另一個位於代號為M87的超巨橢圓星系中心。


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據媒體報道,EHT的“八隻眼睛”位於美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極,這8個射電望遠鏡有單鏡、也有望遠鏡陣列。它們向選定的目標撒出一條大網,撈回海量數據,最終勾勒出黑洞的模樣。


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