原標(biāo)題:第一張黑洞照片是如何拍出來的?你想知道的都在這里了!
國家科學(xué)基金會(NSF)剛剛?cè)蛲,發(fā)布了2017年4月拍攝的室女A星系(M87)中心的黑洞照片。雖然我有點小小的失望,一是此前就以吊足我們胃口的銀河系中心黑洞照片并沒有出來;二是直接成像的黑洞照片并不像此前期待中那樣極度壯觀,事前想象的驚掉下巴也楞沒掉下去。不過這畢竟是人類歷史上第一次直接拍攝到黑洞照片,肯定有很多朋友急切地想知道,為什么我們看到第一張黑洞照片如此模糊,拍攝會如此艱難,需要等待如此漫長的時間,以至一生研究黑洞,對黑洞理論發(fā)展做出主要貢獻(xiàn)的英國 理論物理學(xué)家霍金,也無法在有生之年一睹它的風(fēng)采,而抱憾離去。
黑洞是什么?
雖然大家早已對黑洞熟悉得不能再熟悉了,我首先還是要提出這個問題。我們的宇宙極為空曠,相當(dāng)于平均每四立方米空間里只有一個質(zhì)子,然而這并不是宇宙的真實情況,因為絕大多數(shù)物質(zhì)都聚集在一起,形成了星系、恒星及行星等天體,宇宙中絕大多數(shù)地方的密度比這還要小得小得多!宇宙就像一張巨大的,無邊無際的網(wǎng),星系、恒星、行星等物質(zhì)就是網(wǎng)本身,而網(wǎng)間的空白則是宇宙真空,所有天體都靠引力編織在一起。
在我們眼里的宇宙,恒星占據(jù)了 主力的位置,向上,它組成了星系,向下,它維系著行星、衛(wèi)星及小行星、碎片等組成的恒星系統(tǒng),是我們地球生命之所以能誕生的關(guān)鍵。
宇宙中的恒星,都是由氫聚集在一起形成的。有質(zhì)量很小的紅矮星,約占宇宙中恒星總數(shù)的73%,我們太陽周圍最近的65顆恒星,有50顆都是紅矮星。由于紅矮星質(zhì)量較小,氫在其中心聚變反應(yīng)的速度較慢,因此可以穩(wěn)定燃燒數(shù)萬億年到十幾萬億年的時間,而目前宇宙整個才形成137億年,因此對我們來說,紅矮星幾乎可以說是永恒的存在,沒有生命的盡頭。
像我們太陽大小的恒星,其壽命大約有100多億年。在生命周期的末期,太陽會因核心溫度升高加快氫聚變,釋放更多能量變成紅 ,將水星、金星甚至地球都吞沒;太陽中心的氫燃燒完后,會在1億度高溫下點燃氦聚變,燃燒氫聚變生成的氦,逐步形成致密的白矮星核心。經(jīng)過不斷的氦閃和脈動,太陽外層的氣體被不斷驅(qū)離,最后 出核心的白矮星,太陽就會停止聚變反應(yīng),變得和地球差不多大。
比太陽更大的恒星,如果最后剩下的致密核心超過1.4倍太陽質(zhì)量,就會經(jīng)歷超新星爆炸,核心在引力作用下急劇坍縮成中子星,直徑只有十多公里;而如果質(zhì)量達(dá)到太陽的3.2倍以上,就會坍縮成我們今天的主角——黑洞。
所以黑洞是聚集在一起的物質(zhì)無法對抗自身引力而坍縮形成的致密天體,是宇宙中時間和空間破裂的地方,宇宙的物理定律在黑洞里面已經(jīng)不起作用了,你甚至可以把它理解為一個和我們宇宙無關(guān)的地方,我們誰也不知道進(jìn)了這個洞,會去到哪里,會發(fā)生什么。
超大質(zhì)量黑洞是什么?
上面所說的是恒星黑洞,也就是恒星坍縮后形成的黑洞。實際上還有一類黑洞叫超大質(zhì)量黑洞,在每個星系的中心都至少有一個這樣的黑洞,利用其引力將整個星系凝聚成形。這類黑洞質(zhì)量最小的也有幾十萬個太陽質(zhì)量,最大的可能有數(shù)百億個太陽質(zhì)量。
超大質(zhì)量黑洞的形成,一種是緩慢吸積周圍物質(zhì)形成的;一種是數(shù)十萬個太陽質(zhì)量的星云,逐步萎縮成相對論星體后,不經(jīng)歷超新星爆炸而直接坍縮形成黑洞;還有就是核心正在坍縮的高密度星團(tuán),在大爆炸瞬間從外向內(nèi)壓直接制造原生黑洞。
另外還有微型黑洞,或稱為量子黑洞,以及介于恒星黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間的中介質(zhì)量黑洞,迄今為止都還只在理論上存在,科學(xué)家們從未觀察到。
總之,不管采取什么辦法,只要你能夠?qū)⒆銐蚨嗟奈镔|(zhì),裝入足夠小的空間,就能夠制造出黑洞。比如歐洲核子研究中心的LHC強(qiáng)子對撞機(jī),就曾被認(rèn)為會產(chǎn)生微型黑洞,甚至一度引起巨大恐慌。
黑洞像什么?
黑洞的所有質(zhì)量都集中在中心那個密度趨近于無限的奇點。由于黑洞引力奇大,周圍一定范圍內(nèi)任何物質(zhì)都無法逃脫,而只有乖乖地等待著被吸進(jìn)奇點,沒有任何辦法可以再重返這個宇宙。比如你被吸進(jìn)黑洞后,你和這個宇宙的 交集,也就只剩下你的質(zhì)量帶來的引力了。
這個所謂的一定范圍,就是黑洞的事件視界。黑洞的引力是如此強(qiáng)大,以至于在這個視界表面,連光都無法逃離——進(jìn)入這個視界,你就被這個世界徹底屏蔽了,你所發(fā)生的一切事件,這個宇宙都不再有任何人能看見。大概這就是事件視界這個名稱的由來,視界之外,你還是你,視界之內(nèi),誰也不知道你是什么了。
由此你就可知道黑洞像什么了。黑洞實際不是一個洞,而是完全黑色的球體——由于光線無法逃離視界,我們能看到的黑洞就是一個以視界為半徑的純黑球體。黑洞質(zhì)量越大,視界半徑也越大。由于視界半徑與黑洞質(zhì)量成正比,而視界內(nèi)的體積以三次方增長,所以質(zhì)量越大的黑洞,其視界內(nèi)的密度反而越小,一些超大質(zhì)量的黑洞,其密度甚至比空氣還輕!
然而,宇宙空間極其廣袤,最主要的是極其空曠,到處都漆黑一團(tuán),一個純黑的球體在里面,你就可想而知了,所以黑洞像什么,我寫到這里,實際還是沒有答案。一些科學(xué)家甚至認(rèn)為,太空中可能存在很多很多這種看不見的黑洞,宇宙中憑空消失的大部分物質(zhì)——暗物質(zhì),可能就是由這些黑洞構(gòu)成的,當(dāng)然,這個假設(shè)并不是目前關(guān)于暗物質(zhì)的主流理論。
如何才能看見黑洞?
可能你已經(jīng)迫不及待想問了,究竟怎樣才能看見黑洞?
黑洞雖然看不見,但它擁有強(qiáng)大的引力,可以和周圍的物質(zhì)相互作用,我們可以通過觀察宇宙中物質(zhì)的異常狀態(tài)來發(fā)現(xiàn)黑洞。比如光線的扭曲,異;钴S的物質(zhì)運動等等。換言之,我們能夠看見的是黑洞的輪廓,通常在黑洞周圍,由于強(qiáng)大引力的作用,會有被加熱的超級明亮的氣體圍繞其視界高速運動。
雖然如此,但黑洞實際還是很難被發(fā)現(xiàn),因為黑洞形成后會吸入它周圍的物質(zhì),加之它和其它天體比起來小得可憐,導(dǎo)致它很難被直接觀察到。就像你在熊熊燃燒的火焰里放一個小小的玻璃球,雖然它可以影響周圍物質(zhì)的運動,但你是很難注意到它的存在的。
所以要想看見黑洞,還需結(jié)合它對周圍天體的作用和影響進(jìn)行觀測。比如,當(dāng)黑洞吸入恒星材料時,會在周圍形成巨大的吸積氣盤,盤中的氣體在強(qiáng)大的引力作用下,獲得巨大的能量,從而劇烈地摩擦發(fā)熱,輻射出強(qiáng)烈的的X射線。通過檢測這些高能射線,我們就可間接獲知黑洞的存在,并進(jìn)行研究。
即使如此,自黑洞理論誕生以來,能夠被確認(rèn)為黑洞候選者的天體也寥寥可數(shù),更沒有任何一個黑洞被直接觀察到。
看見第一個黑洞有多難?
要看到一個黑洞是如此的困難,如此的令人絕望,相信很多人已經(jīng)放棄,該干嘛就干嘛去了。但科學(xué)家們是永遠(yuǎn)不會說放棄的,因為在我們銀河系的中心,就有一個400萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞,如果連我們自家星系的這個龐然大物都看不到,怎么能說人類科學(xué)進(jìn)步已到達(dá)新的高度了呢?
然而理想是豐滿的,現(xiàn)實是骨感的。雖然銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量達(dá)太陽的400萬倍,但其直徑僅為4400萬公里,連水星軌道的一半都不到。也就是說,假如把這個黑洞放到太陽的位置,其視界還不到水星軌道的一半。
也許你會說,這么大啊?已經(jīng)不小了吧!問題是,銀河系中心離我們的距離為26000光年,要想看到這個黑洞,根據(jù)科學(xué)家們的說法,就相當(dāng)于我們要從地球上看到月球上的一個檸檬!
除非我們的眼睛和地球一樣大,否則一切免談!
即使你的眼睛真的和地球一樣大,那也是看不到的,因為在銀河系中心黑洞和我們地球之間,橫亙著一圈巨大的塵埃環(huán),擋住了我們的視線,否則我們在夜晚仰望星空的時候,黑洞所在的人馬座A*會明亮得多。
似乎一切辦法都沒有了,人類這個渺小的生命就活該被浩瀚的宇宙忽略,在渺如塵埃的地球上卑微地活著?然而我們是具有高度智慧的生命,我們正在向宇宙規(guī)律發(fā)起挑戰(zhàn),沒有什么是我們不能做到的。
如何拍攝第一個黑洞?
由于可見光的波長太短,任何光學(xué)觀察器材,不管是我們的眼睛還是天文望遠(yuǎn)鏡,都無法突破這個巨大的星際塵埃環(huán);就像你站在霧中,要想看清遙遠(yuǎn)的燈光一樣,重重濃霧迷蒙了你的視線。
然而,我們還有一種望遠(yuǎn)鏡,那就是像中國天眼一樣的射電望遠(yuǎn)鏡,由于射電波,即無限電波波長極長,完全可以突破這些塵埃的封鎖,“看到”銀河系中心的黑洞。就像我們在室內(nèi),依然可以收到手機(jī)基站傳來的無線電波,射電望遠(yuǎn)鏡,也可以接受到來自銀河系中心的信息。
通過多年來的觀察,科學(xué)家門已經(jīng)發(fā)現(xiàn),銀河系中心區(qū)域活躍著大量氣體和塵埃,圍繞著黑洞高速運行,被加熱到了數(shù)十億度,發(fā)射出大量的各個波段的輻射。雖然從可見光到X射線的輻射都被星際塵埃擋住了,但無線波段是可以看見的!
然而單一的射電望遠(yuǎn)鏡,即使是全球最大的中國天眼,也僅僅只有500米的口徑,和地球一樣大的眼睛比起來,就像螢火蟲和太陽相比,完全可以讓凱撒大帝都陷入無邊的絕望之中。
不過,雖然我們沒有地球一樣大的眼睛,但我們卻擁有超越我們星球乃至太陽系整個銀河系的非凡認(rèn)知。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),如果將分布在世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡連接起來,就可借助算法將各個獨立望遠(yuǎn)鏡同時觀察同一個目標(biāo)的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)起來,形成一個口徑等效于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡,將其分辨率提高到足以觀察黑洞事件視界尺度結(jié)構(gòu)的程度。
第一張黑洞照片是如何拍出來的?你想知道的都在這里了!
這個計劃被稱為事件視界望遠(yuǎn)鏡(Event Horizon Telescope, EHT),于2012年在美國亞利桑那州啟動,先后有12個國家的30多所大學(xué)、天文臺及政府和研究機(jī)構(gòu)參與,并在2017年4月,對銀河系中心人馬座A*和M87星系中心進(jìn)行了為期10天的全球連線觀測。調(diào)動的射電望遠(yuǎn)鏡包括智利阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA),南極點的南極望遠(yuǎn)鏡,以及美國、歐洲等地共8臺望遠(yuǎn)鏡,形成了一個直徑超過12000公里的巨大虛擬望遠(yuǎn)鏡。
由于數(shù)據(jù)龐大,無法通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,觀測完成后,所有數(shù)據(jù)都通過硬盤空運到美國馬薩諸塞州麻省理工學(xué)院的海斯塔克天文臺,以及德國波恩的馬克斯普朗克電波天文研究所進(jìn)行處理,南極的數(shù)據(jù)甚至等到當(dāng)年10月冬天過后才運送出來。
此前想象的拍攝到的第一張黑洞照片(銀河系中心)
真實的黑洞照片(M87星系中心)
最初的預(yù)測是去年4月公布有史以來第一張直接成像的黑洞照片,然而龐大的數(shù)據(jù)處理量卻讓計劃一拖再拖,直到今天,我們才終于看到室女A星系(M87)中心的黑洞,并且未能看到我們自己星系中心的黑洞照片,殊為遺憾!
M87是一個巨大的黑洞,其質(zhì)量達(dá)到了67億倍太陽質(zhì)量,距離我們約5350萬光年。由于南極望遠(yuǎn)鏡無法觀測到整個黑洞,所以參與拍攝的只有7臺望遠(yuǎn)鏡,可能這也是它的質(zhì)量不是很好的原因吧。希望銀河系中心黑洞的照片能夠盡快出來,因為在視直徑上它會比M87黑洞更大一些,或許會更清晰一些吧。
今天我們能夠看到這張壯觀的黑洞照片,可以說已經(jīng)耗竭了全球科學(xué)家們多年來的努力和資源,讓我們?yōu)榭茖W(xué)家們加油喝彩,為人類文明取得的又一個里程碑式的突破歡呼雀躍吧。
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