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全程深度解读人类首次拍摄黑洞图像!

2019-4-11 8:10:25来源:新浪科技作者:晨风责编:远洋评论:

北京时间4月11日消息,黑洞,终于不“黑”了!人类历史上第一次,我们拍摄到了黑洞的图像,从而首次让我们直接目睹了这种奇异宇宙天体的外观画面。

▲全球各地8台大型望远镜组成的“视界望远镜”(EHT)项目组在2019年4月10日北京时间21:00对外发布了历史上第一张黑洞图像。这是距离地球大约5400万光年外的M87星系核心的一个超大质量黑洞

美国哈佛大学史密松天体物理中心的天体物理学家谢泼德·多勒曼(Sheperd Doeleman)在今晚(北京时间2019年4月10日21:00)于美国首都华盛顿国家记者俱乐部召开的新闻发布会上说:“我们看到了原先以为看不到的东西。”与此同时,在世界各地六处地点,科学家们以四种不同语言同步进行了发布会。

多勒曼是视界望远镜(EHT)项目的主管,正是这台“超级望远镜”拍摄到了人类首张黑洞图像。此次发布的黑洞图像,观测的是隐藏在椭圆星系M87核心位置的一个超大质量黑洞。

最新的黑洞图像令人震撼。但科学家们指出,这项工作更大的意义是它将对未来科学所产生的深远影响。

哈佛大学物理学教授皮特·伽里森(Peter Galison)在上个月举行的一次关于视界望远镜的讨论会上曾经表示:“它将开启一个全新的研究领域。而这正是最令我们感到兴奋的地方。”

伽里森甚至将此次拍摄的黑洞图像与17世纪英国科学家罗伯特·胡克(Robert Hooke)的手绘图相提并论,当时胡克通过手绘图,向人们展示了在显微镜下,昆虫和植物所呈现出的画面。他说:“人们发现了一个新大陆。”

黑洞周围物质的强烈吸积作用以及在此过程中产生的高能喷射流模拟图

一、和地球一样大的超级望远镜

视界望远镜(EHT)项目是全球各地超过200名科学家在过去20多年协力工作的结果。这是一项真正的国际合作计划,全球多个国家的科研机构参与并为此提供了资金。

之所以叫这个名字,是取自黑洞本身的性质,也就是科学家们对于黑洞边界的定义:当物质抵达黑洞足够近,强大的引力将让一切都无法逃脱。这个距离所限定的边界就称作黑洞的“事件视界”,简称“视界”,一旦超越这个边界,你将无可避免的被黑洞所吞噬。望远镜就是以这个名字命名的,它的目标正是要首次直接拍摄这个边界的图像。

哈佛大学黑洞研究计划(BHI)创始主管,哈佛大学天文系主任艾维·劳艾伯(Avi Loeb)表示:“事件视界是终极版监狱高墙。一旦你进入,永远别想逃脱。”

正是因为这一点,我们永远不能奢望拍摄到黑洞内部的画面,除非你哪天自己进到里面去。可是问题在于一旦你真的进去了,你和你在里面拍的照片也是永远无法带出来的。因此,此次视界望远镜所拍摄的,其实也就是黑洞的黑色边缘。正如视界望远镜的一位科学家对媒体所说的:“我们正在目睹的是光的消失之处。”

视界望远镜项目的拍摄目标有两个:一个是椭圆星系M87核心的超级黑洞,其质量大约是太阳的65亿倍;另一个是我们银河系核心的黑洞,也就是所谓“半人马A*”,后者的质量相比M87核心的黑洞就是小巫见大巫,其质量大约是太阳质量的430万倍。

这两个黑洞都很难拍摄,因为它们的距离都非常遥远。半人马A距离地球大约2.6万光年,而M87则远在5400万光年之外。

从我们的视角看过去,半人马A的事件视界太小了,它的大小就像从地球上看放在月球表面的一个橘子,或者就像把一张报纸放在新疆,然后你在上海要想看清它上面写的文字。

要想进行这样的观测,任何现有的望远镜都做不到。科学家们必须另想办法。最终,他们想到了办法:将位于美国,西班牙,墨西哥,智利,甚至南极洲,以及其他更多地方的大型望远镜连接到一起,组成一个直径和地球直径相当的超级望远镜!

由8台望远镜组合而成的事件视界望远镜,简称“视界望远镜”,其能力相当于一台口径与地球直径相当的超级望远镜

二、海量数据

视界望远镜项目团队利用这台虚拟超级望远镜进行了两次连续观测,每次持续大约两周。第一次观测是在2017年4月份,第二次则是在2018年。本次公布的图像结果来自2017年的第一次观测。

很多人会想知道,为何2017年的观测要到今天才发布结果。原因是很好理解的。首先,视界望远镜每晚上的观测就会产生大约1PB(1PB=1024TB)的数据,想想你家1TB的移动硬盘可以存储多少东西?现在你可以理解,要想将如此多的原始数据加工处理成最终图像,将要经历怎样的漫长过程。

视界望远镜项目科学家迪米特里·萨尔提斯(Dimitrios Psaltis)来自美国亚利桑那大学,他表示:“要想通过互联网传输如此巨量的数据显然做不到。因此我们不得不将数据存在硬盘里,然后叫国际快递在各个机构之间来回运输。这样做要比通过网络传输快多了!”

正是因为这样或那样的困难,极大迟滞了对数据的分析处理工作。举个例子,组成视界望远镜的成员单位中,还包括南极望远镜。但是由于地处实在偏远,南极望远镜获得的数据直到2017年12月才被运出南极洲,因为只有那时候南极大陆才足够温暖,可以让飞机进出运输货物。

视界望远镜主席多勒曼说,他们会感觉自己肩上负有某种“历史使命”。他说:“如果你想宣布某个重大发现,比如拍摄黑洞的照片,你得拿出非常扎实的东西来。在我们的项目过程中,我们常常会感到那些前辈,像爱因斯坦,爱丁顿或者史瓦西在看着我们。因此我们反复检查自己的工作,我们想要确保一切都百分百正确无误。”爱因斯坦,爱丁顿和史瓦西都是历史上顶尖的物理学家,为人类对于黑洞的认识做出过开创性贡献。

三、有什么意义?

视界望远镜项目由另个主要目标:其一是首次拍摄黑洞事件视界图像,其二是帮助验证爱因斯坦广义相对论的准确性,看看其是否需要作出任何修订。

在爱因斯坦之前,人们对于引力的理解还停留在这就是一种神秘的不需要物体间直接接触便可以发生作用的力的程度上。但爱因斯坦在他的广义相对论中将引力描述为时空弯曲导致的自然效应。大质量天体,比如行星,恒星或者黑洞都会产生时空中出现弯曲,就像一个铅球丢到柔软的床垫上会引发床垫的凹陷一样。这种时空凹陷一旦产生,其周围的较小物体就自然会被引向中心,从而产生出“引力”的错觉。

在过去的一个世纪里,广义相对论经受住了所有的严格检验,而此次视界望远镜的观测将提供再一次的全新检验机会,科学家们想要知道,爱因斯坦的理论在黑洞附近这样的极端环境条件下是否仍然能够与观测事实相吻合。之所以可以做这样的检验,是因为科学家们可以事先根据爱因斯坦的理论进行计算,模拟出理论上应当观测到的黑洞模样,随后将其与实际拍摄图像进行对比。

如果理论预测与观测相符,那么再次证明爱因斯坦100%是正确的。而如果答案是否定的,那么我们或许就要对广义相对论做出一定的修订,使其与观测事实保持相吻合。这就是科学向前推进的方式。

今晚的发布会上发布的结果显然证明了,广义相对论仍然是正确的,它不需要做任何修订:视界望远镜拍摄的M87星系核心的黑洞图像与广义相对论预测的结果完全吻合。

这样的第一手数据对于科学进步而言至关重要,因为这些数据为理论改进和计算机模拟实验提供了真实的数据依据,这也正是视界望远镜的最大贡献之一。

劳艾伯指出:“从事物理学研究就是与自然界对话,我们通过与实验结果的对比来检验我们的理论是否正确,因此实验数据极为关键。”

当然,这项最新成果对于黑洞研究本身也具有重要意义。视界望远镜的观测结果将帮助我们更好的了解物质如何落入黑洞的过程。这种气体吸积过程是产生强烈喷流和剧烈辐射的源头,但科学界此前对其了解十分有限。

除此之外,事件视界的形态将可以让我们了解这个黑洞是否存在自转。正如加州理工学院科学家,美国宇航局观测黑洞等高能天体的NuSTAR探测器首席科学家菲奥娜·哈里森(Fiona Harrison)所言:“我们此前已经以非直接的方式推断出了黑洞的自转运动。但对这一点进行直接验证,将会非常激动人心。”

视界望远镜的数据还将帮助我们了解物质在黑洞周围是如何分布的,并最终让天文学家们弄清在长期时间尺度上,超大质量黑洞是如何影响并塑造其所在星系的演化进程的。

四、对普通人,意味着什么?

还有一个很多人关心的问题需要回答:对于那些不是天文学家的普通人,这项成果有何意义?

简单来说,仅仅是直接对黑洞成像这样一件事本身,或者说,直接看到黑洞图像本身就将完全改变我们思考我们自身,以及我们在宇宙中地位的方式。正如1968年阿波罗8号拍摄的那张著名的照片“地球升起”。那张照片让我们从遥远的月球轨道上回眸地球,我们所居住的星球。人们突然之间意识到地球的脆弱和珍贵。那张照片很快受到巨大关注,登上了世界各地媒体的头条,甚至帮助触发了上世纪中叶在西方兴起的环境保护主义运动。

与之相似的,直接目睹一个黑洞,或者更严格的说,看到黑洞的剪影,就像看到科幻小说中的场景变成现实,更何况,今晚我们所见的,还只是视界望远镜项目所拍摄的图像中的最初几张而已,后面还会发布更多成果。

所有这些,对于整个人类的启迪和激励作用,是不可磨灭的。

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关键词:黑洞

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