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常识积累:人类首张黑洞照片问世!最全科普

发布:2019-04-12 15:22:42    来源:四川公务员考试网 字号: | | 我要提问我要提问
  北京时间4月10日晚上21:00,人类史上第一张黑洞照片揭开了神秘面纱。

  包括中国在内,全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容。这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点“捕获”的视觉证据,有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。

  01、什么是黑洞

  理论上,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围,该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界。

  黑洞(Black hole)这个名词,是1968年由美国天文学家惠勒在一个报告里面提出的。

  但有关黑洞的概念,早就有科学家通过数学公式推导出来了。

  比如,1796年法国科学家拉普拉斯就在著作里写了一段话:假如有一个恒星,密度跟地球一样,而直径比太阳大250倍,那么它表面的逃逸速度将超过光的传播速度。恒星本来应该是发光的,但是从远方看这个恒星,它却是绝对黑暗的,你不可能看到它。

  关于黑洞,法国天文学家卢米涅也说过一段话,他说:“黑洞是恒星死亡后的一种残骸,它是引力收缩的极点,极端到近乎荒唐(指它的一些性质用现有的物理学知识无法解释)。但它又是宇宙当中最精美的天体。了解黑洞并深感困惑之后,会使我们进入一个展示时间、空间、光和物质深刻本质的更加深邃的新视野。”

  宇宙中,根据质量天文学家们将宇宙中的黑洞分成三类:恒星级质量黑洞(几十倍至上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。

  02、人类首次“看见”黑洞

  这是人类第一次凝视曾经只存在于理论中的天体——黑洞,一种体积极小、质量极大的天体,如同一个宇宙“吞噬之口”,连光也无法逃逸。

  露出真容的黑洞,位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环。

  百余年前,爱因斯坦的广义相对论率先对黑洞作出预言,从此成为许多科幻电影的灵感源泉。科学家陆续通过一些间接证据证实了黑洞的存在,但人类始终没有真正“看到”过黑洞。

  质量极其巨大的黑洞,是宇宙中的神秘存在。这次通过分布全球的观测点组成一个口径如地球大小的虚拟望远镜——黑洞事件视界望远镜,顺利实现在1.3毫米波长的观测,并经过长期的数据分析,成功“捕获”黑洞的影像。

  由于需要极高的灵敏度,组成全球网络的8个射电望远镜分布在多个高海拔地区,包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。

  “这些望远镜的分辨率相当于能在黑龙江漠河阅读南沙群岛上的一张报纸。”中方科学家、上海天文台研究员路如森说。

  “看”得远、“看”得清仍然不够,给黑洞拍照还要“看”得准。“观看电视节目要选对频道,黑洞影像也必须在合适的波段才能观测。”路如森说,最佳波段在1毫米附近,这一波段的黑洞光环最明亮,而背景“噪音”又最小。

  03、什么是“事件视界望远镜”

  人类根本看不到黑洞,那又是怎么知道黑洞是真实存在的呢?

  鉴于黑洞自身不发光,还会“吞噬”光,很难直接探测,科学家们只能采用一些间接方式来探测黑洞——比如观察吸积盘和喷流。

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  电影《星际穿越》中的黑洞,周围的亮环是由气体构成的吸积盘

  1978年,法国天文学家卢米涅给出了黑洞事件视界的第一幅图像。但这不是一张真正的照片,而是他利用自己的数学知识和相关技术以及60年代的一台IBM 7040穿孔卡片计算机对黑洞景象进行的电脑模拟。

  利用电脑模拟产生的数据,卢米涅用钢笔和印度墨水在底片上描绘黑洞,整个过程就像是一台人体打印机。这幅模糊的图像展示了观察者靠得足够近时看到的一个扁平盘内物质坠入黑洞的景象。

  2017年4月5日,由位于南极、智利、墨西哥、美国夏威夷、美国亚利桑那州、西班牙的8台亚毫米射电望远镜同时对黑洞展开观测,利用甚长基线干涉测量技术(VLBI)将这8台望远镜构建成一个口径等同于地球直径的超级“虚拟”望远镜——事件视界望远镜(EHT)。

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  位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA)望远镜(图片来源:ALMA官方网站)

  此前,该项目宣布,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α”,另一个位于代号为M87的超巨椭圆星系中心。

  据介绍,黑洞照片的“冲洗”用了约两年时间。

  04、照片为什么“冲洗”了两年

  自2017年4月 EHT启动拍照,至今已经约有两年的时间了。为什么“黑洞”这张照片用了这么久才“冲洗”出来?

  香港大学太空研究实验室执行主任苏萌教授在接受中国日报采访时表示,给“黑洞”拍照不像是手机拍照那样,立刻就能呈现出来,它是大量的海量数据,还有很多个步骤。然后一步一步地把这个数据从巨大的一个体量最后变成了照片,让有用的信息一直保持下去,而把没有用的信息剔除掉。还要把大家做的信息统筹起来,所以是这样一个过程,其实两年时间并不算长。

  05、为什么照片看不清?

  昨天,就有不少媒体表示:黑洞的照片可能看不清!

  据科普中国解释,首先,黑洞自身是不发光的,我们看到的发光实际都来自于事件视界外面的物质,并不来自于黑洞本身,但黑洞的存在会在照片上留下“阴影”。其次,由于黑洞强引力导致的相对论效应,如光线弯曲、引力红移等,会导致黑洞周围物质发光的不对称和扭曲。

  此外,事件视界外面的“环境”并不完全干净,尘埃、气体、磁场、喷流等因素都会对事件视界外物质的发光产生影响。

  而且,事件视界望远镜的分辨率毕竟还是有限的,图像的测量和重构过程也很复杂!

  06、中国科学家做出了重要贡献

  中科院上海天文台介绍说,参与本次黑洞拍照的EHT大型国际合作项目的全球200多位科学家中,来自中国大陆的学者有16人,包括中科院上海天文台8人、云南天文台1人、高能物理研究所1人、南京大学2人、北京大学2人、中国科学技术大学1人、华中科技大学1人。另外,还有部分来自中国台湾地区的学者。

  据香港《南华早报》报道,中国科学家在资金支持,计算机建模和数据分析方面都做出了贡献。 EHT阵列的观测只持续了几个小时,但研究人员花了将近一年的时间才将碎片图像合并成一张完整可信的图片。

  “处理的数据量非常大。对于任何一个国家来说,这都是一项不可能单独完成的任务,需要全球合作才能完成。“北京大学物理学院天文系主任吴学兵教授说道。

  香港大学太空研究实验室执行主任苏萌教授称,天文学本身就是一个特别重视国际合作的学科,它的许多成果都是不同文化背景下的众多国家、团队、高校为了一个科学目标而一起长时间努力而获得的。比如,一些天文学的项目,往往几百人是一个很正常的规模。

  所以在EHT这个项目里面,也是很多国家高校的研究机构团队参与进去,包括中国的科研机构和科学家,比如中国科学院上海天文台便参与了此次国际合作。

  来源|综合新华社、中国新闻网、中国日报、央视新闻、科普中国、网络


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