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5500萬年前的黑洞,我看到了你

時間:2018-01-30 09:47:54   來源:   作者:

5500萬年前的黑洞,我看到了你

——人類有史以來首張黑洞照片誕生的背后

  光明日報記者 顏維琦

  這注定是一個值得記住的時刻。北京時間4月10日21時,人類有史以來捕獲的首張黑洞照片公之于世,長久以來“活在傳說中”的黑洞終于顯露真容。

  這是人類第一次真真切切地“看”到黑洞。這張來之不易的黑洞照片,揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞。這一黑洞距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。這一圖像的捕獲意味著,百年之前的愛因斯坦廣義相對論得到了首次試驗驗證。

5500萬年前的黑洞,我看到了你

人類史上首張黑洞照片。新華社發(事件視界望遠鏡項目組供圖)

  在比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓,全球六地以英語、西班牙語、漢語和日語四種語言同步召開全球新聞發布會,宣布事件視界望遠鏡(EHT)項目取得的這一重大成果。記者在位于上海南丹路的中國科學院上海天文臺,和中國科學家們一同見證了這一激動人心的時刻。

  “這是一項由全球200多位科研人員組成的團隊完成的非凡的科研成果。”EHT項目負責人、哈佛大學教授謝潑德·多爾曼(Sheperd S. Doeleman)說,“我們已經取得了上一代人認為不可能做到的事情。技術的突破、世界上最好的射電天文臺之間的合作、創新的算法都匯聚到一起,打開了一個關于黑洞和事件視界的全新窗口。”

  神秘的黑洞背后有著太多秘密等待揭示,令一代代科學家為之著迷。首張黑洞照片透露了哪些信息?天文學家如何費盡周折為黑洞“拍照”,一步步“逼近”黑洞?這一圖像的成功捕獲意味著什么,將為全球科學研究帶來怎樣的突破?

  黑洞,從預言走到眼前

  黑洞是一種被極度壓縮的宇宙天體,在一個很小的區域內包含著令人難以置信的質量。它具有超強引力,即便光也無法逃脫它的勢力范圍——這種天體的存在以極端的方式影響著周圍的環境,讓時空彎曲,并將周圍的氣體吸進來。在此過程中,氣體的引力能轉化成熱能,氣體的溫度變得很高,會發出強烈的輻射。

  1915年,阿爾伯特·愛因斯坦發表了廣義相對論,以其天才的想象力預言了“黑洞”的存在。一年后,德國天文學家卡爾·史瓦西發表了第一個廣義相對論方程的完全解,計算出了“史瓦西球體”的出現,這一版本的“黑洞”不帶電荷,也不旋轉。此后很長一段時間,科學家們嘗試各種辦法來驗證“黑洞”是否真實存在。

  在此次拍照前,科學家們通過各種間接證據來表明黑洞的存在:其一,恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞的強引力會對周圍的恒星、氣體會產生影響,可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在;其二,黑洞會吸積其勢力范圍里的一切物質,通過它“吃東西”發出的光來判斷黑洞的存在;其三,通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。

  種種類似的證據,無不說明黑洞的真實存在。2015年,人類第一次聽到了兩個黑洞相互繞轉合并所產生的引力波之聲。但這些都還是間接的,科學家們迫切希望直接“看”到黑洞。這將給科學研究,包括理論解釋帶來巨大信心。

  中國科學院上海天文臺臺長沈志強研究員告訴記者,“黑洞是一個特殊的天體,也是一種非常簡單的天體,要描述它無非弄清楚三個指標:質量、電荷和自轉。”天文學家們將宇宙中的黑洞根據質量分成三類:恒星級質量黑洞(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(介于兩者之間)。黑洞的勢力范圍,稱作黑洞半徑或事件視界(event horizon)。

  廣義相對論預言,由于黑洞的存在,人們將會看到中心區域存在一個由于黑洞視界而形成的陰影,周圍環繞一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環。黑洞陰影則是人類能看到的最接近黑洞本身的圖像。

  “由于黑洞的尺寸正比于它的質量,黑洞質量越大,黑洞陰影越大。”沈志強說,此次拍照選擇的主角——M87中心的黑洞質量巨大,又相對接近地球,是從地球上看過去角直徑最大的黑洞之一,也因此成為黑洞成像的一個完美目標。

  在天文學家捕獲的首張黑洞照片中,黑洞仿佛沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域中。“我們預期黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區域。這正是愛因斯坦廣義相對論所預言的,可我們以前從未見過。”EHT科學委員會主席、荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克(Heino Falcke)解釋,“這個暗影的形成,源于光線的引力彎曲和黑洞視界對光子的捕獲。暗影揭示了黑洞這類迷人天體的很多本質,也使得我們能夠測量M87中心黑洞的巨大質量。”

  給黑洞拍照有多難

  給黑洞拍照到底有多難?有人這樣比方,“就像我們站在地球上去觀看一枚放在月球表面的橙子。”

  2012年就已參與黑洞觀測的中國科學院上海天文臺研究員路如森說,這個比方一點不夸張。給黑洞拍照有幾大難點:首先是選擇合適的拍照對象,然后要共同合作組成一個超級大望遠鏡,還必須在合適的觀測波段——毫米波。“觀看電視節目必須選對頻道,對黑洞成像而言,在合適的波段進行觀測至關重要。”他告訴記者,這對設備精度和靈敏度的要求極高,同時需要“天時地利”的配合。去年4月間的全球觀測恰逢歷史上最好的天氣,取得的數據非常理想。

  用什么樣的“相機”才能實現給黑洞拍照的宏大計劃?這一次的陣容堪稱“地球級別”。全球科學界將分布在世界各地的8個射電望遠鏡(陣)“組合”起來,形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡,所達到的靈敏度和分辨本領都是前所未有的。可以說,正是全球科學界同步的努力,讓人類拍攝到有史以來首張黑洞照片。

  路如森告訴記者,創建EHT是一項艱巨的挑戰,需要升級和連接部署8個現有的射電望遠鏡來組成全球網絡,這些望遠鏡分布在各具挑戰性的高海拔地區——包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點。科學家們在這些觀測臺站晝夜不停地記錄、分析,2017年4月的EHT觀測中每個臺站的數據率達到驚人的32Gbit/s,8個臺站在5天觀測期間共記錄約3500TB數據。如果是這么多電影的話,至少要幾百年才能看完。

  這一次給黑洞拍照到底有多精確?達到的分辨率約20微角秒。“相當于在巴黎的一家路邊咖啡館,可以讀到紐約的報紙。”路如森打了這樣一個比方。

  雖然這些射電望遠鏡沒有實際連接,但借助氫原子鐘精確計時,各臺望遠鏡實現了數據記錄的同步。這些數據被存儲在高性能的充氦硬盤上,隨后被空運至馬普射電所和麻省理工學院海斯塔克天文臺,在那里,被稱作相關處理機的高度專業化超級計算機對各個臺站數據進行處理。最后,借助合作開發的新型計算工具,這些數據被精心處理并用來生成圖像。

  沈志強介紹,此次黑洞成像采用的是1967年出現的甚長基線干涉測量(VLBI)技術,觀測波長是1.3毫米,并且將有望擴展到更短的0.8毫米。值得一提的是,VLBI技術也成功應用于我國嫦娥探月工程的探測器的測定位。

  全球科學界合作的典范

  記者了解到,參與此次事件視界望遠鏡大型國際合作項目的科研人員達200名之多,其中,來自中國大陸的學者有16人,分別來自上海天文臺8人、云南天文臺1人、高能物理所1人、南京大學2人、北京大學2人、中國科學技術大學1人、華中科技大學1人。另外,還有部分來自中國臺灣地區的學者。

  “在捕獲首張黑洞圖像的過程中,中國科學家做出了極具國際顯示度的工作。”沈志強自豪地說。他告訴記者,我國科學家長期關注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數值模擬研究,在EHT國際合作形成之前就已開展了多方面工作。在此次EHT合作中,我國科學家在早期EHT國際合作的推動、EHT望遠鏡觀測時間的申請、夏威夷JCMT望遠鏡的觀測、后期的數據處理和結果理論分析等方面作出了中國貢獻。此外,在2017年EHT全球聯合觀測的2017年3—5月期間,上海65米天馬望遠鏡和新疆南山25米射電望遠鏡作為東亞VLBI網成員共同參與了密集的毫米波VLBI協同觀測,為最終的M87黑洞成像提供了總流量的限制。

  “我很早就與中國科學家合作研究黑洞,那是20年前,如今他們已是中國受人尊敬的科學家。我很高興能和他們一起慶祝此次進展。在天文學、射電天文學、太空天體物理等領域,中國在這個全球項目中作出了非常重要的貢獻。”海諾·法爾克說。

  毫無疑問,這一次“看見”黑洞的突破性工作是全球科學界合作的典范,離不開數十年觀測、技術和理論工作的堅持和積累,更離不開來自世界各地的研究人員的密切合作。作為多年國際合作的結果,EHT為科學家們提供了研究宇宙中最極端天體的新手段。

  參與此次觀測的望遠鏡包括 ALMA、APEX、IRAM30米望遠鏡、James Clerk Maxwell望遠鏡、大毫米波望遠鏡(LMT)、亞毫米波陣(SMA)、亞毫米波望遠鏡(SMT)和南極望遠鏡(SPT)。馬普射電所和麻省理工學院海斯塔克天文臺的專用超級計算機負責了對原始觀測數據的互相關工作。據介紹,隨著IRAM NOEMA天文臺、格陵蘭望遠鏡和基特峰望遠鏡的加入,未來EHT的靈敏度將顯著提高。

  黑洞就在宇宙中,等著人們去探究。黑洞會影響我們的生活嗎?黑洞和它所在的星系之間究竟有什么關系?“對M87中心黑洞的順利成像絕不是EHT國際合作的終點,我們期望也相信,在不久的將來會有更多令人興奮的結果。”沈志強對此充滿信心。

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