歷史上首次與黑洞的直接接觸

由全球200多名科學家組成的研究團隊,在過去兩年的時間裡通過各地天文望遠鏡組成的望遠鏡網絡,收集並整合了黑洞圖像的數據。該團隊將於時間4月10日晚上九點整,在全球多個城市同步直播全球新聞發佈會,公開人類天文史上的首張黑洞照片。其中就包括中國,屆時中國科學院將與該研究項目共同發表這一激動人心的重大成果。

歷史上首次與黑洞的直接接觸

該項目成立於2017年,名為“事件視界望遠鏡項目”(EventHorizonTelescope,簡稱EHT)。旨在通過聯合全球多地的8組天文望遠鏡,構建一個口徑等同於地球直徑的“虛擬”望遠鏡,從而收集海量數據,並勾勒出黑洞的模樣。EHT的“八個鏡頭”位於美國、墨西哥、智利、南極等地,而“沖洗”這張照片就花費了兩年的時間。

項目的“照相鏡頭”對準了兩個黑洞:位於銀河系中心黑洞人馬座A*,以及位於星系M87中的黑洞。其中較小的人馬座A*質量就相當於400萬個太陽。然而由於它距離太遠(2.5萬光年),它巨大的視界面在我們看來大概只有針尖那麼小。觀測難度就像我們站在地球上去觀看一隻放在月球表面的橙子。而M87黑洞的質量更大,達到了60億個太陽的質量,不過它距離地球就更遠了。

連光都逃不出黑洞,那我們要如何觀測黑洞呢?其實該項目觀測的比起黑洞本身,確切說是黑洞的輪廓與邊緣。科學家解釋稱,黑洞一旦形成,就會有一個被稱為“事件視界”的介面,就像一堵無形的牆把內部扭曲的時空與外界時空相隔開,即使光也不能穿透。而這個介面,就為黑洞拍攝“肖像”提供了依據。

歷史上首次與黑洞的直接接觸

EHT項目是由全球200多位科研人員共同達成的重大國際計劃。值得一提的是,包括中國科學院上海天文臺在內的一些國內機構也參與了此次國際合作。發佈會舉辦的城就包括了中國上海,屆時中國科學院將與EHT項目共同揭開黑洞的神秘面紗。

理論上,黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體。它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力範圍,該勢力範圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界(eventhorizon)。

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-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)。

在這次拍照前,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。

第一,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,於是我們可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。

第二,根據黑洞吸積物質(吃東西)發出的光來判斷黑洞的存在。

第三,通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。

還有很多類似的證據,無不說明了黑洞真實存在。但今晚的這次發佈,將是歷史上首次與黑洞的直接接觸。

黑洞,是20世紀以來的一個一直熱門的研究課題,但是由於黑洞的不可直觀性,使得許多關於黑洞的理論還只是建立在推論與猜想上。根據科學家們的推算,宇宙大爆炸大約發生在137億年以前。宇宙大黑洞,是一個從愛因斯坦建立廣義相對論以後最重要的物理理論結果,也是現在唯一一個可以統一相對論和量子理論,同時又可以使人類在對物理極至理論的探索道路上繼續邁進的一種星體。黑洞是神秘的,說它神秘是因為:黑洞是位居宇宙空間和時間構造中的一些深不見底的類似井狀的東西,具有極大的吸引力,包括光在內的任何物體都無法逃脫被吸入的命運。這就使得人們對於黑洞的研究變得異常困難:它既不向外散發能量,也不表現出任何形式的能量,人們根本無法看到它。因此,人們對於黑洞的研究就象是對一種看不見的東西進行研究。

早在1795年,法國的天文學家、數學家和物理學家拉普拉斯就曾指出,在一個質量足夠大的星球表面,光線是不可能逃出去的。按照牛頓引力理論,每個星體都有一定的逃逸速度。地球的逃逸速度就是所謂第二宇宙速度,大約是11公里/秒。對質量大而體積小的天體來說,這個逃逸速度可能大於光速。在這種情況下,星體發的光也不能發射到遠處去。因而,在外部看來,它就是一個不發光的天體。可以稱它為牛頓理論中的黑洞。不過,我們已經知道,牛頓的引力理論在原則上是不能處理光的問題的,我們不能輕信這個結果。 廣義相對論中依然存在無限引力坍縮的過程。設想一個人正站在發生坍縮的星體表面。他持有一盞強大的燈。在坍縮之前,引力場還很弱,他的燈光可以向四面八方發射出去。光線大體都沿著直線傳播。當恆星開始坍縮後,質量逐漸集中到越來越小的範圍之中。當恆星的尺度減小時,它的表面引力就變得越來越大,引起光線變曲。最初,只有那些在水平方向的光線才有明顯彎曲,這些被彎曲的光線並沒有發射出星體,而是折回到星體表面。坍縮繼續下去,燈的光線將越來越收攏。最後,所有的光線都不再能逃離星體表面。我們說,這是恆星縮小到它的“視界”之內了。落進視界之內的任何東西,都不可能再被外界的觀測者看到。這就形成了黑洞。 “視界”就是黑洞的表面。質量為十個太陽質量的恆星,它的視界半徑約為30公里。也就是說,當這種恆星坍縮到半徑約30公里的大小時,就開始成為黑洞。任何進入視界的東西,都不可能再出來。而且,當一顆坍縮的星,收縮到自己的視界之內以後,就再也沒有任何物理過程可以阻止住它進一步的坍縮。它必將無限的坍縮下去,最終變成一個點,在這個點上許多量都變成無限大,所以它叫做“奇點”。在坍縮過程中,星體越來越暗,因為能逃出去的光越來越少。恆星變暗的過程是極其快的。一顆質量為十個太陽質量的星體,在開始坍縮後約百分之一秒,就幾乎完全看不見了。通常,黑洞是無法被發現的,但是也有例外:如果在它附近有氣團,則會產生飛向黑洞的氣流,於是氣流也暴露了黑洞的位置。眾所周知,在壓縮時氣體物質會被加熱到幾百萬度,同時產生強烈的X射線輻射。用X射線觀測望遠鏡就可以探測到黑洞的存在。2004年,著名的“錢德拉”X射線觀測望遠鏡發現了一顆巨大黑洞的X射線,並將其命名為“SDSSpJ306”,它位於距離我們地球26億光年的MS0735星團。天文學家通過對這些X射線和其所在星系的重力影響一起進行檢測,推測它“出生”於127億年前―――而宇宙大爆炸發生在137億年前。這說明,黑洞與星系同時演化,兩者誰也不會單獨主導早期宇宙中星體的快速誕生。在此次觀測中,天文學家們還在處於星系中的“SDSSpJ306”黑洞的周圍發現了許多新生星體,而且更多的星體正在形成之中。該發現給新出現的星系形成演化理論提供了重要的直接證據。


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