黑洞是一个有趣的话题,人类虽然从未实际看到过,却一直坚信其存在。真实的黑洞到底有怎样的外表?如今,人类终于要给黑洞拍摄第一张“大头照”了。由全球不同地区8个射电望远镜组成的“事件视界望远镜”4月5日开启,这个口径相当于地球直径的虚拟望远镜在4月5日到4月14日之间尝试观测了银河系中心的超级黑洞“人马座A*”。
本报记者 任志方 整理
黑洞此前只确凿存在于
无数观测数据之中
黑洞的存在似乎就是为了迎合我们的一些原始恐惧感而量身定做的:在被称作“事件视界”的帷幕之后,黑洞隐藏着许多高深莫测的神秘现象,任何人或事物一旦掉入其中,都不可能再逃出生天——它们被黑洞摧毁的命运已经注定,不可避免。
几十年来,黑洞已经成为大众文化的一部分,比如2014年上映的电影《星际穿越》,黑洞就在剧情推动方面起到了关键作用。黑洞就像是宇宙不想让你知道的秘密一样——具有超强引力场,会吞噬掉临近的所有物质,就连传播速度极快的光也无法逃脱它的“魔掌”,因此从理论上说黑洞是“不可见”的。截至目前,天文学家仍旧未能对黑洞进行直接观察。事实上,我们甚至不能确定黑洞是否真的存在。
虽然如此,从广义相对论推知而来的黑洞,确凿地存在于无数观测数据之中,科学家借由间接方式得知其存在与质量,并且观测到它对其他事物的影响。
因为引力密度极高,物质在落入黑洞的时候会激发出大量热量和X射线辐射,所以黑洞虽然在可见光波段完全不可见,但在X射线天文观测里却像灯塔一样明亮。同时,引力把黑洞变成了一种非常简单,简单到接近数学模型的天体,只需要质量、电荷、自转三个参数就可以描述。此外,也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹取得位置以及质量。
目前,黑洞存在的唯一直接证据,来自于去年发现的引力波,以两个合并中的黑洞的形式。在我们的银河系当中,根据理论推算,应该存在着差不多上千万个恒星量级的黑洞,然而自上世纪60年代第一个黑洞候选体被发现以来,科学家只确认了大约20多个黑洞。
等同于对月亮上的
葡萄柚拍照
科学家以前介绍的所有技术当中,没有任何一种能够获得黑洞“事件视界”的影像。不过现在,技术进步让直接拍摄黑洞视界的梦想很快变成现实。最近成为拍摄目标的黑洞就是银河系里的庞然大物——人马座A*。这个黑洞距离我们“仅有”26000光年,是天空中所有已知黑洞里看上去圆面最大的一个。
今年4月5日,来自全球30多个研究所的科学家们开展这项雄心勃勃的庞大观测计划,利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,人类或将第一次看到黑洞的视界面。这个虚拟的望远镜网络被称为“事件视界望远镜”(EHT)。
这个观察黑洞的望远镜为什么被叫做“事件视界望远镜”,“事件视界”是什么意思?
在“事件视界望远镜”之前,天文学观测已经看到了黑洞的一些边缘证据,比如物质落入黑洞时,因为摩擦和引力作用形成的高热积吸盘,就像马桶放水时旋转的漩涡,这个漩涡可能比黑洞本身要大得多。但物质什么时候算是正式落入黑洞了呢?现在的天文学研究认为,黑洞拥有一个边界,只要跨过这个边界,正常宇宙的一切定律,包括时间和空间在内都会失效,任何物质和信息都不能回头。这个边界就是“事件视界”。
但是同时,处在远方的观察者,比如人类,是无法看到物质跨过“事件视界”的:黑洞内部的空间结构和正常宇宙完全不同,与其说物质是因为强大的引力不能逃脱,更准确的理解应该是,黑洞内部的空间完全扭曲,所有的方向都指向黑洞内部,空间将和时间一样变成单向的。按照广义相对论的描述,理论上只能看到物质以越来越慢的速度靠近黑洞,最终无限趋于静止。“事件视界望远镜”就是科学家不满足只看到积吸盘和辐射,想要看到黑洞本身,也就是“事件视界”附近而设计的。
但要特别注意的是,“事件视界望远镜”不是一个单独的望远镜,而是由分布在全球的八个观测站组成的网络。之所以需要利用分布在西班牙、夏威夷、南极等几乎覆盖整个地球表面的观测站,是因为人马座A*超大质量黑洞太远了。举例来说,人马座A*仅仅是太阳直径的17倍,但距离地球是26000光年。对银河系中心的黑洞拍照,等同于对月亮上的葡萄柚拍照。
或将看到“背景墙”上
投下的黑洞剪影
要照出这么小的东西,意味着需要直径为一万公里的望远镜。但这不切实际,因为地球的直径不到13000公里。此外,射电望远镜也不能直接“看到”黑洞,但它们将收集大量关于黑洞的数据信息,用数据向科学家们描述出黑洞的样子。
目前,科学家们利用8个位于不同地方的望远镜在同一时间进行联合观测,而且要保证所有8个望远镜都能看到黑洞,从而达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率,留给科学家们的观测窗口期非常短暂,每年只有大约10天时间。对于2017年来说,对这个窗口期来说,是4月5日到4月14日之间。
所以,为了要执行这项任务,还需要有点技巧。来自麻省理工的科学家专门为此发展出一套算法,他们结合观察数据,并利用望远镜拍到图片的交织图案来还原黑洞的图像。他们将用几个月来整理分析这10天获得的观测数据,预计2018年发布第一张黑洞“照片”。
那么,在这张照片上我们可能会看到些什么。一般而言,一个黑洞会在周围吸积气体的辐射构成的“背景墙”上投下一个剪影。
之所以会形成这样一个“阴影”,是因为黑洞会把从它背后发出并射向观测者的光线全部吞噬。与此同时,从黑洞背后发出又刚好擦过视界的其他光线,会使“阴影”周围增亮而形成一片明亮区域。强大的引力透镜效应会弯折光线,就连处在黑洞正后方的物质发出的光线,都能被折到黑暗区域的周围贡献一部分“光亮”。由此产生的黑色剪影就是所谓的“黑洞大头照”——在这张照片上,黑洞完全是一团漆黑,可谓名副其实。这个阴影不会是一个对称的圆盘,这主要是因为周围气体的旋转速度极高,几乎要接近光速。
对于天体物理学家来说,观测结果不仅仅是一张照片那么简单,它一方面呼应着爱因斯坦的广义相对论,一方面也将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。
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