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漲知識 | 黑洞是個什麼“洞”,如何給它拍照?

  北京時間4月10日晚21時許,“事件視界望遠鏡”項目在中國上海和台北、美國華盛頓、日本東京、比利時布魯塞爾和智利聖地亞哥同時召開新聞發佈會。發佈會上,有一張全球200多位科學家們用八個望遠鏡(陣)合力拍攝、並“沖洗”了兩年的神祕照片終於與公眾見面。

  這就是人類有史以來獲得的第一張黑洞照片。

圖片來源:事件視界望遠鏡合作組織

圖片來源:事件視界望遠鏡合作組織

  據介紹,此次發佈的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,其距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。該圖像的許多特徵與愛因斯坦廣義相對論的預言完全相一致,在強引力極端環境下進一步驗證了廣義相對論。通過研究這個圖像,人類將揭示出黑洞這類天體更多本質。

  那麼,什麼是黑洞?黑洞是怎樣形成的?科學家是如何讓它現形的?一起來看!

黑洞是什麼?

  自上世紀中期開始,人們對黑洞的探祕就從未停止過。

  200多年前,英國的米歇爾和法國的拉普拉斯就曾提出:一個質量足夠大但體積足夠小的恆星會產生強大的引力,以致連光線都不能從其表面逃走,因此這顆星是完全“黑”的,但這一推論隨後被人遺忘。

  1915年愛因斯坦發表廣義相對論不久,德國數學家史瓦西得到了靜態球對稱情況下愛因斯坦場方程的一個解,解在一個特殊半徑(後稱史瓦西半徑)處存在奇異性。

  M87星系中心的超大質量黑洞的模擬圖像。中間的黑色區域是黑洞的剪影。| 圖片來源:Jason Dexter (左) and Kazunori Akiyama (右)

  M87星系中心的超大質量黑洞的模擬圖像。中間的黑色區域是黑洞的剪影。

  1939年美國物理學家奧本海默等也證明確實存在一個時間-空間區域,光也不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者。這一區域的邊界稱為視界,在靜態球對稱情況下,視界半徑就是史瓦西半徑。如果某天體的半徑小於史瓦西半徑,那麼該天體就應該是“黑”的,無法被我們看到。

  科學家們把這些引力極強而又“看不到”的特殊天體稱為“黑洞”。因此,黑洞也是愛因斯坦廣義相對論預言的一種產物。

宇宙中的黑洞分為哪幾類?黑洞又是怎麼被發現的?

  天文學家們發現在一些被X射線望遠鏡發現的雙星(由一個緻密星和另一個正常恆星組成)中,緻密星的質量比中子星的質量上限(約為3倍太陽質量)還大,但半徑卻差不多,因此認為這些引力極強的緻密星只能是黑洞。

  目前在銀河系中已發現20多個黑洞X射線雙星,它們的黑洞質量大約是太陽質量的5到20倍。

黑洞剪影的模擬圖像:廣義相對論預言剪影是圓形的(中),其他理論則預言了不同的形狀(左、右)。| 圖片來源:D. Psaltis and A. Broderick

  黑洞剪影的模擬圖像:廣義相對論預言剪影是圓形的(中),其他理論則預言了不同的形狀(左、右)。

  最近幾年,地面激光干涉引力波天文台(LIGO) 已宣佈已探測到11對雙黑洞併合產生的引力波,這些黑洞的質量都是幾十個太陽質量。

  天文學家通常把這些質量為幾個到一百個太陽質量的黑洞叫恆星級黑洞。

  二次世界大戰後,雷達技術廣泛用於射電天文,許多宇宙射電源被發現。這些射電源的光學像有的看起來很像恆星,但光譜觀測顯示它們本質上不是恆星,而是譜線有巨大紅移的銀河系外遙遠天體。

  這些被稱為“類星體”的活動星系核能輻射出比銀河系高成千上萬倍的能量,其發光原理不能用核反應來解釋。

  科學家們認為類星體的能源來自於其中心質量極大的黑洞吸積周圍物質所釋放出的巨大引力能↓

類星體中心超大質量黑洞及吸積盤、噴流示意圖

類星體中心超大質量黑洞及吸積盤、噴流示意圖

  後來的觀測表明像我們銀河系這樣的正常星系中心也存在質量在百萬太陽質量以上的黑洞,只是因為這些正常星系中心的黑洞周圍沒有多少可供吞噬的物質,所以其表現不如類星體中心的黑洞“活躍”,無法釋放像類星體那樣巨大的能量。

  天文學家把類星體和星系中心質量在百萬到百億倍太陽質量的黑洞叫超大質量黑洞。

  那麼宇宙中是否存在介於恆星級黑洞和超大質量黑洞之間、質量為幾百到幾十萬倍太陽質量的中等質量黑洞呢?天文學家雖然在一些近鄰星系的極亮X射線源中似乎已找到中等質量黑洞存在的跡象,但還需更多的觀測予以證實。

  如何給黑洞拍照?

  雖然天文學家已發現了眾多的恆星級黑洞和超大質量黑洞,但都是通過黑洞強大的引力對周圍物質和恆星的影響而間接探測到的。

  宇宙中的黑洞自身雖然是不發光的(霍金輻射在天文學家發現的黑洞中太弱,可忽略不計),但因為黑洞不是孤立的,它們對周圍物質和恆星的影響可產生豐富的觀測現象讓天文學家發現它們,並測量出其最重要的物理參數——質量。在少數情況下,天文學家甚至還可利用觀測結果測量出一些黑洞的自轉。

  但至今還缺乏對黑洞的直接探測和成像。黑洞最主要的特點是存在事件視界,大小為史瓦西半徑。

恆星級黑洞系統示意圖

恆星級黑洞系統示意圖

  對質量為幾十個太陽質量的銀河系內恆星級黑洞而言,史瓦西半徑只有幾十公里,而這些黑洞距離我們都有上萬光年(1光年約為9.5萬億公里)之遙,事件視界的大小相對於距離實在太小了,所以完全無法探測。最可能對其事件視界直接成像的黑洞是離我們很近的兩個超大質量黑洞,即人馬座方向銀河系中心和室女座方向射電星系M87中心的黑洞。

  銀河系中心黑洞Sgr A*質量約為4百萬太陽質量,距離我們2.5萬光年,事件視界半徑約1.2千萬公里。射電星系M87中心黑洞質量為60億太陽質量,距離我們5千萬光年,事件視界半徑約180億公里。

  要對這兩個超大質量黑洞的事件視界附近照像,望遠鏡的分辨率需要達到十個微角秒(一微角秒為百萬分之一角秒)左右,這相當於要分辨出月亮上的一個乒乓球,對於人類是一個極大的挑戰!著名的哈勃空間望遠鏡的分辨率也只有0.05角秒。

  但天文學家還是想出了辦法,他們利用分佈在全球幾大洲的8個毫米波望遠鏡組成干涉陣列(即事件視界望遠鏡EHT),陣列的基線長度和地球大小相當,角分辨率可達幾十微角秒,因此具備對銀河系中心黑洞和射電星系M87中心黑洞視界面附近區域進行成像的能力。

發佈時間:2019年04月11日 08:41 來源:共產黨員網 編輯:田延華 打印

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