超弦  2019-04-12  優(yōu)質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)作者

4月10日，地球人第一次看到了一個(gè)黑洞的真實(shí)圖像，把我們所有的想象變成了具體的現(xiàn)實(shí)。

這張黑洞照首秀來(lái)自室女座的M87星系黑洞，距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量約為太陽(yáng)的65億倍。這張圖像描繪了一個(gè)橙色調(diào)的不對(duì)稱(chēng)環(huán)，環(huán)繞著一個(gè)黑洞的陰影，該黑洞吞噬了5500萬(wàn)光年M87星系中心的物質(zhì)。

但這幅難以捉摸的圖像引發(fā)了九大問(wèn)題，而科學(xué)家給了我們答案，趕緊來(lái)看看！

我們?cè)趫D中看到了什么？

其實(shí)黑洞本身發(fā)出的輻射太少而無(wú)法被探測(cè)到，但正如愛(ài)因斯坦所預(yù)測(cè)的，黑洞的輪廓和它的視界，即光線(xiàn)無(wú)法逃逸的邊界是可以被看到。

事實(shí)證明，這是真的。中間的暗圈是黑洞的“影子”，它由位于黑洞周?chē)暯绲陌l(fā)光氣體所構(gòu)成。這是因?yàn)楹诙吹臉O端引力使氣體過(guò)熱，導(dǎo)致它發(fā)出這些光芒。但是視界內(nèi)的氣體并不是真正的橙色，而是參與該項(xiàng)目的天文學(xué)家選擇將無(wú)線(xiàn)電波信號(hào)涂成橙色來(lái)描述輻射的亮度。黃色代表最強(qiáng)烈的排放，而紅色代表較低的排放強(qiáng)度，黑色代表很少或沒(méi)有排放。

為什么我們以前沒(méi)有見(jiàn)過(guò)黑洞的圖像?

我們知道黑洞通常是在一顆大恒星死亡并坍縮時(shí)形成的，即使是超大質(zhì)量的黑洞，其實(shí)也不是很大。例如在我們銀河系中心的黑洞，被認(rèn)為是質(zhì)量是太陽(yáng)的400萬(wàn)倍左右，但是如果形容它的大小的話(huà)，就像在地球上觀(guān)察月球上的DVD一樣。而黑洞是密度極高的物體，任何東西，甚至光，都無(wú)法逃逸。當(dāng)它們吃附近的東西時(shí)，它們的體型就會(huì)變大。而超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)倍或數(shù)十億倍，被認(rèn)為位于幾乎所有星系的中心，包括我們自己的星系--銀河系。黑洞通常被能掩蓋黑洞周?chē)饩€(xiàn)的物質(zhì)所覆蓋，因而我們以前沒(méi)有見(jiàn)過(guò)黑洞的圖像。

在這張照片之前，我們是如何知道黑洞存在的?

愛(ài)因斯坦的相對(duì)論首次預(yù)言，當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星死亡時(shí)，它會(huì)留下一個(gè)致密的核心。根據(jù)美國(guó)宇航局的說(shuō)法，如果這個(gè)核心的質(zhì)量是太陽(yáng)的三倍以上，他的方程式顯示，重力產(chǎn)生了一個(gè)致密引力點(diǎn)，即黑洞。

但是直到4月10日前，科學(xué)家們還不能拍攝或直接觀(guān)察黑洞。相反，他們依賴(lài)于間接證據(jù)，比如星體行為或來(lái)自附近其他物體的信號(hào)。例如，黑洞會(huì)吞噬離它太近的恒星。這個(gè)過(guò)程加熱了恒星，使它們發(fā)射出望遠(yuǎn)鏡可以探測(cè)到的x射線(xiàn)信號(hào)。有時(shí)黑洞也會(huì)噴出巨大的帶電粒子爆發(fā)，這也是我們的儀器可以探測(cè)到的。

科學(xué)家有時(shí)也研究物體的運(yùn)動(dòng)，如果它們看起來(lái)被奇怪地拉著做奇怪的運(yùn)動(dòng)，那么很有可能有一個(gè)黑洞在周?chē)?/p>

為什么圖像模糊？

以目前的技術(shù)，這是可以達(dá)到的最高分辨率。視界望遠(yuǎn)鏡的分辨率大約是20微弧秒。根據(jù)紐約業(yè)余天文學(xué)家協(xié)會(huì)(Journal of the Amateur Association of New York)的數(shù)據(jù)，如果你從地球上觀(guān)察月球上的一個(gè)句子，而這個(gè)分辨率可以看到相當(dāng)于在月球上留下的傳單上的那個(gè)句號(hào)。

活動(dòng)視界望遠(yuǎn)鏡副主席杰弗里·克魯說(shuō)，如果你拍一張包含數(shù)百萬(wàn)像素的普通照片，把它放大幾千倍，再把它弄平，你會(huì)看到與黑洞圖像差不多的分辨率，而這個(gè)分辨率是目前的極限。

科學(xué)家是如何捕捉到這張照片的?

全球超過(guò)200名天文學(xué)家使用8架地面射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了測(cè)量，這些射電望遠(yuǎn)鏡統(tǒng)稱(chēng)為事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)。根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)的一份聲明，這些望遠(yuǎn)鏡通常位于夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、阿塔卡馬沙漠和南極洲等高海拔地區(qū)。

2017年4月，天文學(xué)家們同步了所有的望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)測(cè)量從黑洞視界發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波。該聲明稱(chēng)，同步這些望遠(yuǎn)鏡就像制作一個(gè)地球大小的望遠(yuǎn)鏡，分辨率高達(dá)20微弧秒，足以讓一個(gè)紐約人從巴黎的一家咖啡館里讀到手中的報(bào)紙。(相比之下，他們拍攝的黑洞直徑約為42微弧秒)。

然后他們把所有這些原始的測(cè)量數(shù)據(jù)，分析并組合成你所看到的圖像。

為什么科學(xué)家們是利用測(cè)量無(wú)線(xiàn)電波而不是可見(jiàn)光來(lái)捕捉圖像?

科學(xué)家解釋因?yàn)橥ㄟ^(guò)無(wú)線(xiàn)電波可以獲得比可見(jiàn)光更好的分辨率。到未知目前，無(wú)線(xiàn)電波提供了目前所有技術(shù)中最高的角度分辨率。角分辨率指的是望遠(yuǎn)鏡能夠很好地分辨兩個(gè)分離的物體。

這是真的照片嗎?

很顯然，不，這不是傳統(tǒng)意義上的照片。因?yàn)橛脽o(wú)線(xiàn)電波拍攝照片是很困難的。該任務(wù)的科學(xué)家測(cè)量了黑洞視界發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波，然后用計(jì)算機(jī)處理這些信息，得到了我們所看到的圖像。

這張照片是否再次證明了愛(ài)因斯坦的相對(duì)論?

這模糊的第一眼就足以證實(shí)，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論即使在這個(gè)巨大的深淵的邊界上也行得通，在這個(gè)極端的地方，一些人認(rèn)為他的方程式會(huì)崩潰。是的。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論預(yù)言黑洞是存在的，它們有視界。該方程還預(yù)測(cè)，視界應(yīng)該是圓的，大小應(yīng)該與黑洞的質(zhì)量直接相關(guān)。

為什么他們沒(méi)有捕捉到我們星系黑洞的圖像，而是選擇了一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系呢？

M87是研究人員測(cè)量到的第一個(gè)黑洞，所以他們首先對(duì)其進(jìn)行了分析。但他補(bǔ)充說(shuō)，與位于銀河系中心的射手座相比，它也更容易成像。這是因?yàn)樗x我們太遠(yuǎn)了，在一個(gè)晚上的測(cè)量過(guò)程中，它不會(huì)“移動(dòng)”太多。而銀河系離我們更近，所以它在天空中并不是固定的。無(wú)論如何，銀河系的黑洞照遲早也會(huì)出現(xiàn)！