刚刚,人类第一次"看"见了黑洞!

英伦圈 2019-04-11 15:33:34
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即便天文知识一张白纸的小伙伴,对“黑洞”这个名词,也一定不会陌生。

诺兰电影《星际穿越》中设想的黑洞景象。图:Science Friday

从1784年史上首次出现“质量大到光都无法逃脱”的天体假说,到爱因斯坦相对论的问世,再到60年代“黑洞”(black hole)这个说法的正式确立……

235年来,人类对黑洞的着迷程度只增不减,但却因为它吞噬包括光线在内一切的属性,从来没能“看”见黑洞——直到今天。

美国国家航空航天局(NASA)科学家设想的黑洞景象。图:英国电讯报

英国时间今天(4月10日)下午2点,也就是国内时间晚上9点,全球6座城市(中国上海与台北、比利时布鲁塞尔、美国华盛顿、日本东京、智利圣地亚哥)同步召开全球新闻发布会,公布了“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope,简称EHT)项目全球多处射电望远镜共同捕捉到、人类史上首次“拍”下的黑洞照片

连霍金都曾痴迷的黑洞,长这样▼

图:ETH Collaboration

对于终于拍下的这张黑洞图片,发布会现场的科学家们说,它是如同“地狱之门”(gates of hell)。

BBC、CNN、天空新闻……全都沸腾了!

以上3图:BBC News、CNN、天空新闻截图

正如发布会上,黑洞图像公布前现场科学家的这句话所说——

“科学历史将由此划分界限,这张图像前的时代,以及它之后的时代。”

The history of science will be divided into the time before the image, and the time after the image.

 235年的“黑洞情结”

人类对黑洞的探索历史,比大家最熟悉的爱因斯坦、霍金这些天文大佬的名字,还要久远一些。

早在1784年11月,也就是235年前,一个名叫约翰·米歇尔(John Michell)的英国牧师,就曾经在一封信里写到了“质量大到光线都无法逃脱”的天体假说。

不仅如此,他还相当准确地提出,这种无法直接观测的天体,能够通过附近可见天体被它“捕捉”时候的引力效应来间接观测。

早在18世纪就提出了后来“黑洞”相关假说的约翰·米歇尔。图:Weebly

当然,真正为这种假说带来理论支持的,还得从1915年爱因斯坦提出广义相对论说起。仅仅几个月后,德国科学家卡尔·施瓦兹希尔德(Karl Schwarzschild)就找到了爱因斯坦场方程的一组解,并在随后几年内逐渐完善,得出了这么一个结论——

当物质密度足够大时,它就能形成时空中的一处“奇点”(singularity),效果如同一个不断吞噬一切的“无底洞”。

右边的就是施瓦兹希尔德。图:维基百科

60年代,这种“奇点”被正式命名为“黑洞”。科学家们也逐渐得出结论,认为任何物质如果距离黑洞过近,就会被拉进黑洞被吞噬掉,即便是恒星或者电磁波也不例外,而可见光正是电磁波的一部分。

至于黑洞本身密度有多大?用法国天文学家Guy Perrin的话来讲,可以这么打个比方:如果地球被压缩到黑洞那么大的密度,那么体积可能约等于一个顶针或者瓶盖,而太阳的直径则会被从139万多公里压缩到只剩几公里。

图:Quora

至于黑洞的成因,则普遍认为是质量超大的恒星在寿命结束后坍塌形成的。而坍塌之前,这些恒星的质量大约相当于太阳的20倍到几百万倍。

原图:World Atlas

人类第一次收集到黑洞位置的信号,是在1931年。正如前面提到那位18世纪英国牧师的假说,虽然黑洞本身无法探测,但可以通过它周围可见物质来定位;碰到那些“有去无回”的区域,很有可能就是遇上黑洞了。

而1931年探测到信号的黑洞,就位于我们所在的银河系里,被命名为人马座A*(Sagittarius A*)

原图:Pinterest

去年4月,美国哥伦比亚大学天体物理实验室的联合主任查克·海利博士(Dr. Chuck Hailey)公布了关于银河系的这样一个发现▼

“在这大约6光年的区域内,大约有1万到2万个这些东西(黑洞),但是从来没人能找到它们。”

There are supposed to be 10,000 to 20,000 of these things in a region just six light years wide that no one has been able to find.

这还不算银河系以外的那些星系……

图:英国电讯报

那么问题来了——

 这次拍下的黑洞,在哪儿?

实际上,“事件视界望远镜”也就是EHT项目所研究的对象,是两个已知黑洞。

其中一个,就是前面提到的人马座A*,是住在咱们银河系里的邻居。它的质量是太阳的400万倍,与地球距离是2.6万光年(一光年约等于9,460,730,472,580,800米,这个大家都知道了)

图:NASA官网

而另外一个要更远一些,来自银河系旁边的M87星系。它的质量就更大了,不过和地球的距离也就更大一些,有5400万光年那么远。

图:SciTechDaily

而据BBC News第一时间公布的相关数据,今天公布照片的这个黑洞,是距离我们更远的M87星系黑洞。它的直径大约为400亿公里(相当于地球的300万倍),用荷兰拉德堡德大学的海诺·法尔克教授(Prof Heino Falcke)原话来说,“比整个太阳系都大”。

那么远的距离,可以这么说:我们今天看到的M87黑洞,已经大约是恐龙灭绝后到石器时代开始前这段时间里的“老古董”了!

发布会现场的M87黑洞图片。图:天空新闻

 连光都吞噬,如何拍下来?

人类能真的“看”到黑洞吗?

至少现在的技术来看,这还是个触不可及的梦。毕竟黑洞连可见光在内的电磁波都统统“吃掉”,所谓的观测,其实是通过黑洞周围“极限点”(point of no return,也有翻译成“不归路”的)来间接达成的。

距离黑洞太近的恒星,会被它巨大的引力压扁、碾碎,进而转化为温度极高的白色气体。而这些恒星的“碎片”在彻底被吸进黑洞消失前,会“回光返照”一般瞬间放射出极为耀眼的光芒。

艺术家Jon Han创作的黑洞以及周围“极限点”景象。图:纽约时报

欧洲航天局的天体物理学家保罗·麦克纳马拉(Paul McNamara)介绍说,这种现象被称为“吸积盘”(accretion disk)。

这种“吸积盘”让科学家们能够观测到黑洞周围的“极限点”,并且理论上爱因斯坦的研究结论如果正确无误,那么观测结果能让人类相当准确地测算出所观测黑洞的大小与形状,也就是所谓的“看见”和“拍照”了。

图:CNN视频截图

今天划时代的照片,是“事件视界望远镜”ETH项目利用分布在世界各地的射电望远镜,组成一台巨大的虚拟望远镜来拍下的,其口径相当于地球直径。

这12个望远镜,遍及北美、南美、欧洲、南极▼

图:BBC News

图:央视新闻截图

ETH项目是从2017年4月开始启动对黑洞拍照,但这张照片的“冲洗”,其实就用了约两年时间。包括中国科学院上海天文台在内的一些国内机构,也参与了此次国际合作。

至于为什么需要两年的“冲洗”时间,中国科学院国家天文台研究员苟利军说:一方面是因为数据量非常大,涉及到全球八个不同地方的望远镜;另外一个方面是因为在数据处理的过程当中,有很多的技术上的难点,导致处理的时间比较长。

再来看一眼这次拍下的M87……

图:ETH Collaboration

剑桥大学天文学研究所的雷诺兹教授(Prof Reynolds)对天空新闻这样说道,ETH项目最终推算出M87黑洞质量相当于650亿个太阳,与之前的一些推算吻合程度相当高。这意味着,人类对于黑洞锲而不舍的研究和探索,正在正确的方向上大步前进。

不过,目前ETH还没能捕捉到银河系内人马座A*黑洞的图像,因为它周围天体被吸入前爆发光线的速度更快,拍下的照片相对要模糊许多。但ETH项目的学者们都认为,未来还是有机会给它拍个照的。

微博上 @央视新闻 报道的热评区,有这么一句话,很是引起了一番共鸣▼

图:微博 @央视新闻 评论区截图

诚然,人生太短太渺小,我们在有生之年能看到这张黑洞照片的面世,其实已经极其幸运,名副其实地“见证了历史”。

也正是霍金、爱因斯坦和更多我们记不住名字的学者、研究员、科学家等等接力一般的不懈努力,让我们能够接近宇宙深处的真相,近一些,再近一些。

期待,我们和宇宙时空更多的接触!

(英伦圈综编,编辑:Moo,内容参考BBC News、天空新闻、CNN、环球网、英国电讯报、纽约时报、Science Friday、维基百科等,图片除标注外均来自网络,转载请注明。)

                   

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