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人類首張黑洞照片發布 距地球5500萬光年
    全世界200多位科學家合作完成的一項重大天文學成果——人類首張黑洞照片,4月10日在全球多地同步發布。事件視界望遠鏡(EHT)宣布,已成功獲得超大黑洞的第一個直接視覺證據,該黑洞圖像揭示室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞,距地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。
人類成功獲得首張黑洞照片

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)

    全世界200多位科學家合作完成的一項重大天文學成果——人類首張黑洞照片,北京時間4月10日晚在全球多地同步發布。事件視界望遠鏡(EHT)宣布,已成功獲得超大黑洞的第一個直接視覺證據,該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞,它距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。

    “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。”

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愛因斯坦廣義相對論得到驗證

銀心附近恒星的運動截圖。(來源:中新網)

    這是人類第一次真真切切地“看”到黑洞。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。

    一百多年前,愛因斯坦提出廣義相對論,將引力視為時空扭曲的效應。他的方程預言,一個小而重的物體能隱藏在事件視界(event horizon)之內,在視界內,其引力強大到連光都無法逃脫,這個物體就是黑洞。幾乎所有的星系中心都存在黑洞,在那里它們可以成長到太陽質量的數百萬或者數十億倍。

    廣義相對論預言,因為黑洞的存在,周圍時空彎曲,氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中,引力能轉化為光和熱,因此氣體被加熱至數十億度。黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內,事件視界看起來就像陰影,陰影周圍環繞著一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環。鑒于黑洞的自旋及與觀測者視線方向的不同,光環的大小約為4.8-5.2倍史瓦西半徑(史瓦西半徑,指沒有自旋的黑洞的事件視界半徑。)

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什么是黑洞?

(來源:科技日報)

    黑洞是一種被極度壓縮的宇宙天體,幾乎所有質量都集中在最中心的“奇點”處,其周圍形成一個強大的引力場,在一定范圍之內,連光線都無法逃脫。這個邊界稱作“事件視界”。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。

  黑洞怎么形成的?像宇宙萬物一樣,恒星也會衰老死亡。一些大質量恒星在核聚變反應燃料耗盡時,內核會急劇塌縮,所有物質快速向著一個點坍縮,最終坍縮成一顆黃豆大小的奇點,并形成一個強大的力場漩渦,扭曲周圍時空,成為黑洞。

  天文學家根據質量將宇宙中的黑洞分成了三類: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)。

    根據理論推算,銀河系中光恒星量級的黑洞就有上千萬個。天文學界認為,許多星系中央都有超大質量黑洞。例如代號M87的超巨橢圓星系中心黑洞的質量被認為約為太陽的65億倍。

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被拍黑洞如何選擇?

HST拍攝的M87。圖片版權:NASA(來源:中新網)

    黑洞陰影和周圍環繞的新月般光環非常小。在拍照設備能力有限的情況下,要想拍攝到黑洞照片,必須找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為目標。

  科學家們甄選之后,決定將近鄰的兩個黑洞作為主要目標:一個是位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*,另一個則是位于射電星系M87的中心黑洞M87*。此次照片“主角”正是M87中心的超大質量黑洞。

  中國科學院上海天文臺研究員沈志強說:“由于黑洞事件視界的大小與其質量成正比,這也意味著質量越大,其事件視界越大。我們選定的這兩個黑洞質量都超級大,它們的事件視界在地球上看起來也是最大的,可以說是目前最優的成像候選體。”

黑洞照片怎樣拍?

    2017年4月份參加EHT觀測的8個臺站,實線連接的為觀測M87的7個臺站,虛線連接的為觀測一個校準源(3C279)的臺站。圖片來源:“First M87 Event Horizon Telescope Results I: The Shadow of the Supermassive Black Hole”。(來源:中新網)

    黑洞雖然總處于“隱身”狀態,但在它周圍存在的物質會釋放出電磁波,這些信息逃不過射電望遠鏡的“眼睛”。

    為了捕獲第一張黑洞圖像,過去的十年多時間里,麻省理工學院的天文學家們聯合了其他機構的同行們,讓全球八個天文臺同時對銀河系中心的黑洞Sgr A*和M87星系中的黑洞M87*展開亞毫米波段觀測,利用甚長基線干涉測量技術(VLBI)將這8臺望遠鏡構建成一個口徑等同于地球直徑的超級“虛擬”望遠鏡,這些望遠鏡統稱為“事件視界望遠鏡”(Event Horizon Telescope,EHT)。

  由于EHT此次觀測的波段在1.3毫米,容易受地球大氣的水汽影響,因此這些亞毫米波望遠鏡分布在高海拔地區,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。

  參與此次觀測的包括位于世界六個地點的八個臺站。其中由于位置的限制,位于南極的SPT望遠鏡無法觀測到M87*。所以參與觀測M87*的望遠鏡實際上是七臺。

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“沖洗”照片耗時兩年

    拍照難,“洗照片”更不容易。射電望遠鏡不能直接“看到”黑洞,但它們將收集大量關于黑洞的數據信息,用數據向科學家們描述出黑洞的樣子。在觀測結束之后,各個站點收集的數據將被匯集到兩個數據中心(分別位于美國麻省的Haystack天文臺和德國波恩的馬普射電所)。在那里,超級計算機通過回放硬盤記錄的數據,在補償無線電波抵達不同望遠鏡的時間差后將所有數據集成并進行校準分析,從而產生一個關于黑洞高分辨率影像。
    此后,經過長達兩年的“沖洗”,今年4月10日,人類歷史上首張黑洞照片終于問世。

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給黑洞拍照有何意義?

致密天體根據質量的分類。圖片來源:NASA(來源:中新網)

    天文學家表示,事件視界望遠鏡(EHT)成功獲得超大黑洞的第一個直接視覺證據,不僅首次試驗驗證了愛因斯坦的廣義相對論,也開啟了直接觀測黑洞的序幕,期待未來有更多科學發現和研究成果。

   本次“拍照”還可為一些基礎物理研究提供數據或解釋天文現象成因,如噴流的形成,科學家們希望能夠解釋黑洞自旋是否為噴流提供了能量源。而通過觀察黑洞視界面的大小和形狀,或許能夠首次在超大質量黑洞周圍的極端空間驗證愛因斯坦引力理論。甚至,有人希望此次“拍照”能找到不同于黑洞的未知物體,用來驗證其它恒星塌縮理論。

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中國成為重要參與者

4月10日,在中國科學院上海天文臺舉行的新聞發布會。(來源:中新網)

  此次合作會集了全球超過200名研究人員共同努力。在“事件視界望遠鏡”項目中,我國科學家全程參與了給黑洞拍照這項國際合作,在早期推動這一項國際合作、望遠鏡觀測時間申請、夏威夷望遠鏡觀測運行、后期數據處理和理論分析等方面均作出了貢獻。中國科學院天文大科學研究中心(國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺)參與了位于美國夏威夷的東亞JCMT望遠鏡對黑洞的觀測,多名中國學者是此次黑洞照片相關論文的作者。

    從4月10日發表在《天體物理學雜志通信》的論文作者署名看,中國大陸一共有16位科學家參與了這項研究工作,其中上海本地就有8位研究員參加,其他人員來自云南天文臺、中科院高能物理所、南京大學、北京大學、中國科學技術大學、華中科技大學。此外,中國臺北也有部分科學家參與了這項研究工作。

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黑洞照片引發全民狂歡

微信網友把黑洞畫成了一個甜甜圈。(來源:參考消息網)

黑洞照片酷似蜂窩煤。(來源:參考消息網)

    人類首張黑洞照片公布,引發民眾狂歡。4月10日,黑洞成為“頂級流量”,全世界似乎都在“蹭熱度”。

    首張黑洞照片在公布之后迅速成為推特網站上最受追捧的照片。有些網友為人類首次拍到黑洞照片而歡欣鼓舞,但更多網友還對照片本身更感興趣,圍繞著這張黑洞照片各抒己見。微博上,黑洞P圖大賽進行得如火如荼;把黑洞當成“錦鯉”轉發許愿時,很多人也是真情實感。

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    (資料來源:新華社、人民日報、中新社、光明日報、科技日報等)

編輯策劃:虞鷹

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