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黑洞“真身”現身,中國科學家做出了什么貢獻
發布時間:2020-01-19     作者:   來源:中國科學報   分享到:


  上帝說,要有光,于是就有了光。

  有一個地方可能除外。黑洞具有非常強大的引力場,使得光都無法逃脫它的勢力范圍。這個勢力范圍,就叫做事件視界。

  這也讓黑洞成為了宇宙中最為神秘的天體之一。2015年電影《星際穿越》中對黑洞形象的描畫,更是令無數人浮想聯翩。

  然而,真實的黑洞到底長什么樣?事件視界望遠鏡(EHT)國際合作組織在全球六地同步召開新聞發布會,宣布他們已經捕獲了首張黑洞照片。《天體物理學雜志通信》以特刊的形式通過六篇論文發表了這一重大成果。

  黑洞,只是說說而已?

  黑洞并不是一個什么新鮮詞兒。在理論上,它是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體。根據質量,天文學家將宇宙中的黑洞分為恒星級質量黑洞(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)三類。

  證明黑洞的存在是天文學家孜孜不倦的追求,但受到觀測手段的限制,直到上世紀60年代,科學家對黑洞都還只能是“說說而已”。

  “很久之后人類才意識到,原來可以通過技術的革新,在宇宙中搜尋這個黑洞。”中國科學院上海天文臺臺長沈志強說。

  但是,這一過程并不順利。

  由于黑洞是一個完全黑暗的天體,在一定范圍內,就連光線都無法從中逃脫。此外,由于黑洞距離地球非常遙遠,以往的天文觀測設備想要看到黑洞,可以說是“心”有余,而分辨率不足。

  因此,天文學家只能通過尋找一些間接證據來證明黑洞的存在,比如觀察周圍恒星運動、吸積盤、噴流乃至引力波等等。

  好奇的人類怎會止步于此?近年來,科學家開始著手實施一個宏偉的計劃。

  跟地球一樣大的望遠鏡

  為了能“看見”黑洞,全球200多名科學家組成了EHT合作組。2017年4月,他們挑選了世界上多個海拔最高、位置最為偏僻的射電天文臺,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共計6個地區8個臺站,打算以一種愛因斯坦從未想過的辦法觀測黑洞。

  “黑洞的觀測要求非常高,而地球受到大氣層的保護,很多電磁波無法穿透大氣,只有在海拔三四千米的山上,才有可能觀測到這些信號。”沈志強告訴《中國科學報》。

  地址選定后,科研人員使用了甚長基線干涉測量技術使世界各地的射電望遠鏡實現組網,并進行同步觀測,同時利用地球自轉組成了一個口徑如地球大小、觀測波段為1.3 毫米的虛擬望遠鏡,其精度足以讓一個人在巴黎的咖啡館閱讀紐約的一張報紙。

  “這些望遠鏡并沒有實際連接起來。”中科院上海天文臺研究員路如森說,“它們之間是借助氫原子鐘進行精確計時,實現了數據記錄的同步。所有的數據匯總起來之后,科學家利用新型的計算工具,最終生成了黑洞的圖像。”

  “真身”現身

  這個巨大的望遠鏡所達到的靈敏度和分辨率是前所未有的,在這只“大眼睛”的幫助下,科學家終于見到了黑洞的“真身”。

  這張圖片揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞,這個黑洞距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。

  這也是人類距離黑洞最近的一次。整張照片所獲取的圖像,僅為黑洞事件視界尺寸的2.5倍。相比之下,人類以前的一些模糊的觀測結果只能說距離黑洞還有“十萬八千里”。

  “我們捕獲到了黑洞的首張照片。”EHT 項目主任謝潑德·多爾曼說,“這是一項由200 多位科研人員組成的團隊完成的非凡的科研成果。”

  最為重要的是,這張照片使得愛因斯坦的廣義相對論得到了首次試驗驗證。科研人員進行了多次獨立的EHT 觀測,通過多個校準以及不同的成像方法,均揭示了一個環狀的結構及其中心的暗弱區域,即黑洞陰影,而這也正是愛因斯坦所預言的。

  “愛因斯坦是對的,他的廣義相對論經受住了考驗,我們對黑洞的理解也是正確的。”沈志強說,“這是一個值得被歷史銘記的時刻。”

  中國貢獻

  中國科學家長期關注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數值模擬研究,EHT國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關工作。在此次合作中,中國科學家在早期國際合作的推動、望遠鏡觀測時間的申請、夏威夷JCMT望遠鏡的觀測、后期的數據處理和結果理論分析等方面作出了自己的貢獻。

  此次的成果得到了中科院天文大科學研究中心的支持,該中心由國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺共同建立,是EHT一個合作機構的成員。

  而在200多名科研人員中,來自中國大陸的學者有16人:中科院上海天文臺8人、中科院云南天文臺1人、中科院高能物理研究所1人、南京大學2人、北京大學2人、中國科學技術大學1人和華中科技大學1人。另外,還有部分來自中國臺灣地區的學者。

  “我很早就與中國科學家合作研究黑洞,很高興我們能一起慶祝今天的進展。”EHT科學委員會主席、荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克說,“在天文學、射電天文學、太空天體物理等領域,中國在這個全球項目中作出了非常重要的貢獻。”

  “對M87中心黑洞的順利成像絕不會是EHT國際合作的終點站。”沈志強說,“我們期望也相信,在不久的將來,EHT會有更多令人興奮的結果。”


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