世紀百年,我們終於等到了今天!

黑洞,是理論預言的一種極端天體。

早在1783 年,約翰·米歇爾便已經意識到:一個緻密天體的密度可以大到連光都無法逃逸。

1915年,愛因斯坦用他天才的物理直覺,提出廣義相對論,顛覆了人類對時空本質的認知。

100年來,廣義相對論預言逐一獲得實驗和觀測的證實,讓愛因斯坦取得物理學史中至高無上的地位。這一次,愛因斯坦叕對了。

1916年,廣義相對論提出僅僅一年之後。一個名叫卡爾·史瓦西的天文學家,在第一次世界大戰的前線戰地醫院臥病時,寫下一篇探索廣義相對論的論文。

他給出了廣義相對論中,描述時空性質的“愛因斯坦場方程”的第一個精確解。他指出,對於任何物體,都有一個與其質量相對應的半徑,如果將其全部質量壓縮到這個半徑內,這些物質就將無止盡的向中心掉落,形成一個時空極端彎曲的奇點。

這個半徑,後來被稱作“史瓦西半徑”。任何物質,包括光,都無法從史瓦西半徑內逃出。

如果這個極端不可思議的預言也能得到證明,無疑將會是廣義相對論的又一座豐碑。

1968年,“黑洞”(black hole)一詞才由天體物理學家約翰·惠勒提出來,但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,連光都逃不了。

黑洞如果確實存在,它看上去什麼樣?1979年,天文學家讓·皮埃爾·盧米涅利用一臺運算能力只有10年前主流手機萬分之一的晶體管計算機計算得到光強等高線圖之後,按照等高線圖的指示,親自動手、用一個個墨點繪製在一張照相紙上的圖像。這是人類第一張利用計算機數值模擬得到的黑洞模擬圖像——距今剛好40週年。

1990年代,盧米涅的同事讓-阿蘭·馬克為紀錄片《無限彎曲》製作了另一個華麗的黑洞可視化視頻。

還有一段“視界面望遠鏡”團隊博士生安德魯·切爾製作的黑洞吸積盤模擬動畫。

世紀百年,我們終於等到了今天!

昨天公佈的黑洞照片又是怎麼來的呢???由於黑洞自身不發光,難以直接探測,大大小小的望遠鏡對於直接觀測遙遠的黑洞力有不逮。科學家們只能夠“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。

理論上來說,這臺望遠鏡就擁有足夠的分辨率,能夠讓我們隱約看清銀河系中心超大黑洞留下的剪影。只可惜,我們沒有那麼大的單體望遠鏡。

於是,天文學家們將分散在歐洲、北美、南美、太平洋和南極的8臺射電望遠鏡聯合在一起,組合成了一臺足有地球大小的“事件視界望遠鏡”,分別在2017年4月和2018年4月,對銀河系中心的那個超大黑洞,還有5000萬光年以外M87星系中心的另一個超大黑洞,進行了聯合觀測。

考慮到視界面附近的輻射極其微弱,在白天太陽的照射下,大氣中的水汽會在一定程度上增加,從而導致吸收增強,所以為了降低吸收和增強靈敏度,此次視界面的所有觀測都是在晚上進行。

當所有數據被合併,最終得到圖像時,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。

最終,在2017年4月的4個觀測夜,“事件視界望遠鏡”對銀河系和M87中央黑洞進行了觀測。經過兩年的數據處理,我們終於等到了文首的那張照片:

世紀百年,我們終於等到了今天!

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。

第一次獲取黑洞視界面附近區域的影像,是足以載入史冊的成就。M87中央黑洞只是視界面望遠鏡的兩位主角之一,現在我們更有理由期待,事件視界望遠鏡給銀河系中央黑洞“拍攝”的圖像,會給我們帶來更多驚喜。

我們是何其幸運,成為宇宙中第一批親眼看到黑洞的碳基生物。


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