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2019年4月16日 星期
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照亮黑洞的是脑洞(图)
漫画 王宇

  2019年4月10日,人类终于得见黑洞的真容!这张照片,证实了神秘天体黑洞的存在;这张照片,使得爱因斯坦的百年猜想终得检验!

  人类揭秘宇宙的速度从未像今天这么快,但速度的背后却是百年的积累、沉淀与等待。

  为了这一“眼”,人类等了100多年。从爱因斯坦的广义相对论,到惠勒的“黑洞”概念,再到霍金的“黑洞理论”……已故的科学大师虽未亲眼得见黑洞真容,但他们的猜想却激励着后人不断求解,把他们的理论付诸实践。

  为了这一“眼”,人类插上了想象的翅膀。在电影《星际穿越》中,黑洞“卡冈图雅”是那深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆圈。

  为了这一“眼”,无数科学家仰望星空、低头演算,日复一日年复一年,只为花开的那一刻。全球30多个研究所200多位科学家参与到一项庞大的科学计划,为联合世界各地的8台射电望远镜,人类花费10年,制图又耗费2年。  

  问1

时空中的无底深渊、深藏不露的引力陷阱……黑洞是天文物理史上最引人注目的研究课题之一,更是科幻小说、电影等多种文艺作品中的常见“角色”。可否简述下人类关注黑洞的历史脉络?

  答:

  人类关注黑洞的历史可以追溯到18世纪末。在万有引力定律提出约百年后,英国科学家约翰·米歇尔在1783年首次提出,可能存在引力强大到连光线也无法逃离的“暗星”。不过,那时天文学家对此讨论不多。

  1915年,爱因斯坦提出真正“预见”黑洞的广义相对论。但其实,就连爱因斯坦也曾经不相信黑洞真实存在。不过,科学界确实利用广义相对论计算得出,在宇宙中存在这样的天体。

  20世纪60年代,美国天体物理学家约翰·惠勒首次将“黑洞”作为一个科学术语提出,这个词象征着它的黑暗和神秘。

  此后,科学界不断收获关于黑洞的研究成果。迄今,黑洞的存在已得到多数天文学界和物理学界科研人员的承认。

  在人类首次获得黑洞照片之前,2015年堪称黑洞研究的一个小高峰:引力波探测项目为黑洞的存在提供了明确证据。

  科学界普遍认为,黑洞是宇宙中最神秘的天体,几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,其周围形成一个强大的引力场,在一定范围之内,连光线都无法逃脱。这个边界称作“事件视界”,本次发布黑洞照片的国际组织,就叫做“事件视界望远镜”项目。

  问2

  不少人脑海中关于黑洞的形象都来源于科幻电影《星际穿越》中清楚明亮的图像,而最新发布的人类首张黑洞照片却有点“糊”。不少人肯定一直有个疑问:没有光,天文学家们是怎样“拍摄”出黑洞“照片”的呢?

  答:

  “模糊是因为(事件视界)望远镜的分辨率还不够好”,《星际穿越》科学顾问、诺贝尔物理学奖获得者基普·索恩说。他还解析了“事件视界望远镜”项目最新公布的M87星系黑洞照片,与《星际穿越》中“卡冈图雅”黑洞形象的三大不同。

  首先,“卡冈图雅”的图像显示出强光,而最新公布的黑洞照片上的光却柔和得多。索恩指出,“卡冈图雅”的强光来自拍电影时IMAX相机镜头中模拟的光散射。对黑洞的真实观测可没有拍电影这么好的条件,“事件视界望远镜”中没有IMAX相机那样的光散射。

  第二,真实照片中,黑洞一侧明亮,而另一侧暗淡。但《星际穿越》中的黑洞图像却没有这种差别。

  索恩指出,与“卡冈图雅”黑洞相比,M87星系黑洞的多普勒频移作用显得非常强大,这使得照片中黑洞有一侧非常明亮。多普勒频移是指物体运动时,从那里发出的信号传到接收处时会出现相位和频率的变化。

  事实上,索恩团队当初为《星际穿越》提供的黑洞模型中同样考虑了多普勒频移,但《星际穿越》导演克里斯托弗·诺兰“忽略”了这种亮度差异。

  第三,电影中设定的“卡冈图雅”黑洞与真实的M87星系黑洞本身就有不同,最大的不同在于二者的吸积盘厚薄程度等特性有差异,这可以部分解释为什么“卡冈图雅”黑洞图像的中心有一条亮带。

  黑洞周围的光环为什么颜色不一样呢?此次对M87星系黑洞成像的“事件视界望远镜”的工作波段是毫米波。但人眼并不能看到毫米波,黑洞图像上呈现出的彩色光是科研人员经过计算机处理而成的。“事件视界望远镜”的科学家选择了红色,而《星际穿越》则选择了其他颜色。

  “拍摄”的“照片”尽管有些模糊,但却是人类创纪录的“拍摄”精度。精确到什么程度呢?此前有人形容说,拍到的黑洞相当于从地球上看到月球上的一个橙子,这个说法大致不错,但似乎还不够耸人听闻。上海天文台参与黑洞“照片”研究的路如森研究员的形容是:相当于在美国纽约看到了法国巴黎一家咖啡馆中的人手中拿着的报纸上的小字,如果简化句子就是:从纽约看到巴黎报纸上的字。

  不少人肯定一直有个疑问:没有光,天文学家们是怎样“拍摄”出黑洞“照片”的呢?路如森研究员比喻说,平时我们到医院去做核磁共振所看到的片子,就不是靠光学拍照的,而是通过测量人体局部图像的不同空间频率成分重构出来的。

  同样,黑洞的“照片”也是用这种重构的方法完成的。所以,准确地说这次天文学家们不是拍摄了黑洞的照片,而是重构了黑洞的图像。

  问3

  人类史上首张黑洞照片(由计算机处理天文望远镜所获数据而得到的图像)轰动世界,为何我国备受关注的FAST“天眼”射电望远镜没有参与到观测黑洞的行列之中呢?

  答:

  “其实最主要的原因在于工作频段不同。”中国科学院国家天文台研究员苟利军说。事实上,射电波即无线电波,频谱很宽,其波长范围约为10μm-30000m。FAST工作频段为70MHz-3GHz,接收的波长最短为分米级,而本次观测的亚毫米波波长在1mm以下。由此可见,即便同为射电望远镜,FAST与EHT接收的波段也没有交集。“亚毫米波属于射电波段中最短的部分,理论上望远镜口径越大、接收波长越短,其分辨率越高,因此,采用亚毫米波段观测也是出于提升分辨率的考量。”苟利军说。

  而智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列望远镜不是一台简单的射电望远镜,而是由66台口径7至12米的抛物面天线共同组成一个望远镜阵列,直径可达16公里,代表了当今国际射电天文最先进的观测能力,在观测效率上比此前各国拥有的同类设备提高一个量级,分辨率能超出哈勃望远镜10倍。参与“事件视界望远镜”项目的中科院上海天文台研究员路如森说,随着这样高灵敏度的亚毫米波望远镜于2013年投入使用,黑洞成像观测才成为可能。

  智利有“星空之国”的美誉。阿塔卡马沙漠拥有全世界绝佳的天文观测条件,全年晴夜数可达320天左右,气流稳定、空气干燥、无光污染,加之智利政府长期、稳定地支持政策,不少国家都将大型望远镜建在智利,十几个大型项目甚至同时在这里兴建。

  2016年,中国国家天文台和智利北方天主教大学签订协议,在阿塔卡马合作建设天文观测基地。如今,在距离极大望远镜仅30公里处的文特峰,中科院南美天文中心文特峰观测台站正在建设中,已初具雏形。

  问4

  根据理论推算,代号M87的超巨椭圆星系中心黑洞的质量被认为约为太阳的65亿倍。那么,黑洞是构成星系的主要天体吗?

  答:

  根据理论推算,银河系中光恒星量级的黑洞就有上千万个。天文学界认为,许多星系中央都有超大质量黑洞。例如,代号M87的超巨椭圆星系中心黑洞的质量被认为约为太阳的65亿倍。天文学家根据质量将宇宙中的黑洞分成了三类: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)。

  美国太空望远镜科学研究所、欧洲南方天文台等机构研究人员的一份报告说,他们利用美国航天局哈勃太空望远镜和欧洲航天局“盖亚”探测器对银河系进行了迄今最精确的“称重”,认为银河系质量大约相当于1.5万亿个太阳质量。在银河系总质量中,约2000亿颗恒星以及银河系中心一个超大质量的黑洞仅占很小的比例,其余大部分质量来自暗物质,后者是一种看不见的神秘物质,它就像宇宙的“脚手架”,把恒星固定在星系的某个位置。

  过去几十年,研究人员已尝试使用多种观测技术为银河系“估重”,认为银河系的质量应该在5000亿到3万亿个太阳质量之间,最新测量结果处于这一范围的中间。宇宙中最轻的星系质量仅相当于10亿个太阳质量,最重的星系质量达到30万亿个太阳质量。因此,银河系属于宇宙中比较重的星系,这对于一个明亮的星系来说十分正常。

  基于哈勃望远镜和“盖亚”探测器对银河系内球状星团的三维运动的测量,研究团队得出银河系的质量。球状星团是紧密的恒星集团,包含恒星数量可达千万颗,它们是银河系中较古老的恒星系统。一个星系的质量越大,它内部的球状星团在引力作用下运动得越快。

  本版文字综合整理自新华社、科技日报、微信公众号“中国科普博览”

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天津日报报业集团法律事务部    2010-1-12