加载中…

加载中...

个人资料
红星新闻
红星新闻 新浪机构认证
  • 博客等级:
  • 博客积分:0
  • 博客访问:1,966,740
  • 关注人气:535
  • 获赠金笔:0支
  • 赠出金笔:0支
  • 荣誉徽章:
相关博文
推荐博文
正文 字体大小:

宇宙黑洞千千万,为何偏偏这两个最好看?

(2019-04-10 22:20:09)
标签:

杂谈

有史以来第一次,黑洞的照片展现在人类的眼前。


在很多人心目中,黑洞仿佛是浩瀚宇宙中通向另一个世界的神秘通道。2015年,导演克里斯托弗·诺兰在《星际穿越》中展现的“卡冈图雅”黑洞,似乎也将这一想象通过大银幕进一步具象化。

《星际穿越》种展现的黑洞构想(图自:NASA)

据新华社报道,全球多国科研人员合作的“事件视界望远镜(EHT)”项目将于10日发布一项“开创性成果”,舆论普遍认为这将是人类有史以来获得的第一张黑洞照片。


作为一种质量极大的天体,黑洞具有非常强的引力,在它周围的一定区域内,连光也无法逃逸出去。因此,这个边界称为“事件视界”,而这台巨大的、口径相当于地球直径的虚拟望远镜也因此而得名“事件视界望远镜(EHT)”。


该项目此前宣布,用这一虚拟望远镜“拍照”的重点对象是两个黑洞,一个是位于银河系中心的“人马座A*”,另一个位于代号为M87的超巨椭圆星系中心,而这一拍摄工作早在2017年4月就已经宣布启动。

为何偏偏拍摄这两个黑洞


捕捉到它们的,分布在欧洲到南极的8台射电望远镜组成的EHT又究竟是一台怎样的“神器”?


拍照仅十天,为何“P图”要花两年,科学家们到底通过何种手段,让黑洞的全貌显示在世人面前?


对于这些问题,果壳主笔兼天文领域达人、科学松鼠会成员Steed对红星新闻给出了详细的解读。


问:为啥这俩黑洞“雀屏中选”,成为被拍摄对象?


多年来,Steed始终致力于天文领域的科普工作,其介绍天文发现、跟进深空探测最新进展的个人新浪微博(@Steed的围脖)曾于2018年荣登人民日报十大科普自媒体榜单,而他本人拍摄的印尼日全食照片曾获英国格林威治皇家天文台2016年度天文摄影大赛总冠军,并获得2016年度摄影师称号。


他告诉红星新闻记者,此次选择这两个黑洞作为“拍摄对象”的是它们的可操作性最强,也就是说——它是我们在地球上最有可能看清楚形状的两个黑洞。简而言之就是,一个够大,一个够近。


“这两个黑洞一个是银河系中心的‘人马座A*’。此前根据对银河系恒星长达十几年运动的观测,可以推断出(银河系)中间是有一个黑洞的,这个黑洞的质量大概是300到400万倍于太阳质量。


对于黑洞来说,它的边界,也就是所的‘事件视界’仍然算是非常小的,所以正常情况下,这个黑洞基本上是超过地球上所有望远镜的分辨能力的。但是,相对于其他所有的黑洞来说,这个黑洞因为它本身在我们的银河系内,是离我们最近,从我们地球上看起来应该是最大的一个黑洞。

美国宇航局钱德拉x射线天文台拍摄的人马座A*的远景。(图自:NASA)

而第二个被拍摄的黑洞M87,则是另外一个星系中心的大黑洞,叫做室女座A,这个黑洞虽然距离我们稍微远一些,约为5000万光年,但这个黑洞要比我们银河系中心的黑洞大很多,可以达到70亿倍于太阳质量——相比而言,银河系中心的黑洞只有这个黑洞M87的千分之一大小。所以,虽然它离我们稍微远一些,但是从地球上看起来它的大小应该和银河系中心的黑洞差不多。


因此,之所以选这两个黑洞观测,主要的原因就是它们地球上最容易看清楚的黑洞。”


问:黑洞这么“黑”,茫茫宇宙中如何确定位它的身影?


所谓黑洞,它本身是可以吸收光线的,它可以把所有东西给吸进去。实际上,科学家其实以前就已经观测到了非常多的这种黑洞。那么为什么可以观测到这些黑洞呢?Steed表示,最实质的原因是,因为黑洞在活动。


“所谓活动就是说,众所周知,因为黑洞的引力非常强大,所以它会把周围的物质吞进去,但是本身黑洞又很小,所以物质不可能直接一靠近就被吞掉了。


这就像一个水槽一样,你把下水的塞子打开之后,虽然这些水最终都会从从下水道里面流出去,但是,因为下水道的口很小,所以水会先盘旋在下水道的口的周围,盘旋一段时间后慢慢的才流下去。


同理到黑洞,在物质被黑洞吸附的这个过程中,这些周围的物质会发生摩擦等情况,温度非常高,这些周围的物质就会发光。所以在X射线波段,或者可见光波段、射电波段,在各个天文学家所观测的这些电磁波段,比如在观测M87的黑洞的过程中,都能看到它是非常明亮的,因此可以非常准确的定位到它的位置。


而相比之下,‘低调’的银河系中心的黑洞,则是通过长时间的观测,包括观察恒星的一些运转计算出来。因为银河系越靠近中心的恒星运动,越是受到中心黑洞的影响,所以通过银河系中心的恒星的运行轨迹,就可以算出它(银河系中心黑洞)的位置在哪里。”


问:当我们拍黑洞的时候,我们拍到的是黑洞本“洞”吗?


曼彻斯特大学天文学家汤姆·穆克罗在2017年接受《卫报》采访时表示:“准确地说,我们不会直接拍摄银河系中心的黑洞。”


“我们实际上要给它的影子拍张照片。它的侧影将在银河系中心辐射的背景下滑动。这张照片将首次揭示黑洞的轮廓。”穆克罗表示。


而这种说法也被steed肯定。他表示,这次科学家公布的这个照片其实就是想要拍摄它的一个侧影,或者说一个剪影。是因为黑洞其实本身,严格意义上来说,它不算是一个星球。


“我们印象中不管是太阳也好月球也好,它都是太空当中的一颗星球,是有大小、有表面的。但是黑洞不是一个实体,只是一个范围,范围就可能存在一个你看不到的边界,过了这个界,所有东西都只能往里掉,不能再出来,连光都不行。从这个角度来说,我们从黑洞的外面去看黑洞,假设一个黑洞它不活跃不发光,其实我们是没有办法看到它的。


但是两种情况下,我们就可以看到它,一种情况是如果它周围有一些物质在发光,比如说我刚才说的M87,它在吞噬一些物质,这些物质在黑洞周围形成一个吸积盘,这些物质是会发光的。


那么如果我们能够看清楚的话,我们就可以看到在这团发光的东西当中有一团黑,这一团黑就是黑洞本身,或者说黑洞的边界,因为所有的光线,即使是光线经过了它的边界的话,也会被他吸进去,所以这个界限的以内是没有任何光线发出来的——这个时候我们就可以在一团光中看到一个黑影。


另外一种方式就是,如果这个黑洞本身周围没有什么发光的东西,它就是那儿做一个‘安静的黑洞’,那么如果它的背后有恒星、星云、星团的话,有其他的发光的背景在那里,这就相当于比如说我们在房间里面有一个黑的东西,它本身不发光,但是它背后有一面墙,这时候也可以看到本来是一面墙的地方中间出现了一团黑影 这个也是我们可以看到黑洞的另外一种方式。”


问:从欧洲到南极,8台望远镜排布如何确定?


实际上,对于观测黑洞来说,分辨率是一个核心问题,而分辨率又和望远镜的口径紧密相关。


对于距离人类遥远且渺小的黑洞来说,普通望远镜观测黑洞无疑向是“从地球上看月球上的一个橘子”一样大海捞针,而观测到黑洞需要的天文望远镜直径可能要向地球的直径一样大小,但是人类显然不可能将地球改造成一个观测黑洞的超级望远镜。


也正因如此,分布全球8个地区的“事件视界望远镜(EHT)”应运而生了。

参与观测的射电望远镜的排布位置示意图,绿色点为此次参与观测的8个望远镜

(图自:欧洲南方天文台)


“一个射电望远镜的分辨率可能有限,但是如果我们能够把多个望远镜协同起来一起观测,这个时候决定分辨率的就不是单个大小的望远镜的能力,而是它们加在一起的能力,如果我们能够在地球的各个不同的地方找到这样的射电望远镜,一起参与同时观测这两个黑洞,这个时候就可以得到一个相当于有地球大小的望远镜来观测,我们在理论上就可以有机会看清楚黑洞的真容。


有了这个想法之后,科学家就要开始在地球上寻找符合规格和要求的望远镜,并对它们的位置进行衡量。这其中最重要的是,这些望远镜必须能够同时来看这两个黑洞,比如当我观察银河系中心这个黑洞的时候,所有参与这一项目的望远镜都要同时出现在这半个地球上——因为同一时间只有半个地球能够同时朝着黑洞。


正是因为这个原因,此次射电望远镜的分布选择基本上都在西半球,包括美国、智利、南极、太平洋夏威夷群岛,这些望远镜连起来同时观测,就可以类似模拟出一个地球这么大的望远镜出来。


问:拍照10天整合两年?科学家们究竟在用啥显影?


据此前媒体报道称,此次拍摄从2017年4月5日开始连续拍摄了5天,2018年4月也拍了5天,相当于一共拍了10天左右。而这次发布的结果很有可能是两次观测结果的叠加。


这意味着从最初开始拍摄到此次发布,科学家们已经花费了近两年时间,那么,这么长的时间里,他们究竟施了什么显影术,让黑洞展现在我们的面前呢?Steed表示,这次对黑洞的拍摄,与我们想象中的按下快门,即刻获得影像的单个镜头拍摄完全不同。


“这次拍摄并不是用单个的望远镜来拍摄,而是世界各地的8台望远镜来同时观测。此前在一些观测中,也可能也是多个相距几十公里甚至上百公里的望远镜同时观测。这种情况下因为它属于同一个设施,这些望远镜之间会有光纤,或者其他信号的高速传输系统来联动。那这个时候,它还有机会有可能比如说拍摄同时把所有望远镜的信息合并在了一起,成一个像出来。


但是,这次拍摄使用到的设备覆盖到了世界各地不同地点,甚至不同型号不同规格的这种望远镜来观测,所以每个望远镜第一产生的数据是不一样的,第二,产生的数据量也是非常大的,它在一天的观测时间里可能会产生好几个T的数据,这么大量的数据没有办法同时汇总在一起并即刻进行分析。


所以现在的做法其实就是各自是观测各自的,然后把所有的观测数据全都记录下来,包括确切的时间,然后再把同一时间的数据整合起来,放在一起,这本身就要花费大量时间。


然后再由这种超级计算机去分析这样的数据。相当于后期把各个不同望远镜的成像或者说观测,模拟成一个大的望远镜形成的一幅图像,而且,这些数据的分析里面还涉及到不同的望远镜本身会有一些误差、本身硬件所固有的一些偏差等,这些东西都需要考虑在内,而且还要去和理论模型相匹配。最终经过大量的分析和处理才有可能会形成这样的一个图像。”


问:拍出首张“黑洞”照片,究竟意味着什么?


2017年4月“事件视界望远镜”启动拍照时,美国国家科学基金会主席科尔多瓦曾发表声明说,这是“一项令人激动并具挑战性的工作”,将有助于验证一些最基本的物理学理论。而这一照片的最终也罕见的选择了以全球六地同时召开新闻发布会的方式进行发布。


一向有点“高冷”的天文学界,为何选择将此次发现成果直接面向公众?“吃瓜”之余,这张照片对于人类科学和未来究竟有何意义?Steed表示,对于物理学和天文学来说,这张黑洞照片最重要的意义就在于,在一种极端的条件下对于爱因斯坦广义相对论预言的验证。


“自始至终,黑洞这个概念虽然经常被天文学家提到,并用来解释我们观测到的很多现象,但是归根到底,这些都只是爱因斯坦广义相对论的一个预言。虽然我们现在也用它来解释各种各样的现象。但是,在今天之前,这张照片公布之前,没有一个天文学家直接观测到真的有黑洞这个东西。


当我们知道去判断,鉴定一个理论是否正确的时候,我们可以做各种各的实验去验证它。但是最重要的一个实验就是,我要把它放在一个极端的环境下去检验它。而对于广义相对论这样一个涉及引力的理论来说,最最极端的环境就是两个,一个是宇宙大爆炸,那个时候距今已经太遥远,我们无法回到过去;而另一个就是黑洞,尤其是大质量的大黑洞,这是我们现在仍然有机会观测、来验证广义相对论的环境。


你想要验证它就要看到它的图像,哪怕今天公布出来的照片可能不是很清楚,只是影影约约看到一个模模糊糊的一团黑,但是有这个图形,对于天体物理学家来说,这就是已经非常大的突破了。从这个图像里其实可以来检验相对论在这么极端的情况下它的预言是不是对的。因此,这个意义其实非常重大。


红星新闻记者 翟佳琦

宇宙黑洞千千万,为何偏偏这两个最好看?

0

阅读 评论 收藏 转载 喜欢 打印举报/Report
  • 评论加载中,请稍候...
发评论

    发评论

    以上网友发言只代表其个人观点,不代表新浪网的观点或立场。

      

    新浪BLOG意见反馈留言板 电话:4000520066 提示音后按1键(按当地市话标准计费) 欢迎批评指正

    新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

    新浪公司 版权所有