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“甜甜圈”版黑洞照片,是愛因斯坦埋下的“彩蛋”

時間:2019-04-12 09:33:44 來源:新京報

“有圖有真相”,黑洞照片的發布,為科學家進一步研究其“吞噬機制”提供了直接素材。

北京時間10日晚9時許,包括中國在內,全球多地同步公布了黑洞“真容”。該黑洞位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心,距離地球5500萬光年,質量約為太陽的65億倍。它的核心區域存在一個陰影,周圍環繞一個新月狀光環。網友驚嘆——分明是個“甜甜圈”。

照片上的黑洞,略顯“萌態”。但實際上,它是只不折不扣的怪獸,在宇宙中游走并吞噬著一切。這次公布的黑洞照片不僅提供了黑洞存在的直接“視覺”證據,也再一次證明愛因斯坦廣義相對論在極端條件下仍然成立,同時還為天文學家進一步研究黑洞吸積物質的具體機制提供了可能。

給黑洞拍張“寫真”有多難

“黑洞”簡單來說,就是引力大到連光都不能逃出的天體。火箭能夠飛出地球,可你跳起來總會落到地面上,因為你的速度不如火箭快,總會被地球引力給拉回來。而黑洞這樣的天體,引力大到能把速度最快的光都拉回到自身。黑洞的邊界,叫事件視界(event horizon),這個邊界以內的一切,我們都無法看見——全部都被黑洞“吃掉”了。

你可能以為黑洞就是黑的。可天文學家們發現,黑洞究竟黑不黑要看環境。如果沒有什么東西可以“吃”,那些“安靜黑洞”確實是黑的。如果周圍有物質掉進黑洞的話,當物質進入黑洞引力場,天文學上稱為吸積過程,物質會被加熱到幾千上萬攝氏度的高溫,發出明亮的X射線輻射。從這個意義上來說,這些“活躍黑洞”堪稱宇宙中最明亮的天體之一。

要想直接看到黑洞,就得找不太安靜,又不太活躍的黑洞。即便是符合要求的黑洞,也大多因為距離我們太遙遠或者被漂浮的宇宙塵埃遮擋,而無法被直接觀測到。

更重要的是,黑洞本身就不可見,黑洞形成的“事件視界”相對于宇宙來說又太小。比如太陽直徑是140萬千米,相當于把它壓縮到6千米以內,才能成為一個黑洞。要想看到黑洞,就得找足夠大的黑洞。

黑洞雖然總處于“隱身”狀態,但在它周圍存在的物質會釋放出電磁波,這些信息逃不過射電望遠鏡的“眼睛”。在過去10多年時間里,麻省理工學院(MIT)的科學家們聯合了其他研究機構的科研人員,開展了“事件視界望遠鏡”項目,旨在直接看到黑洞本身的那個黑色表面和附近物質發出的光。包括中國科學院上海天文臺在內的一些國內機構也參與了此次國際合作。

他們利用分布在世界各地的8臺射電望遠鏡,組成一臺巨大的虛擬望遠鏡,口徑相當于地球直徑。這一虛擬望遠鏡“拍照”的重點對象是兩個黑洞,一個是位于銀河系中心的“人馬座A*”,另一個位于代號為M87的超巨橢圓星系中心。而此次發布的照片就是后一個黑洞。從2017年4月啟動拍照至今,僅“沖洗”照片就耗費了約兩年時間。

愛因斯坦早已埋下彩蛋

這一次發布的黑洞照片,再一次證明了一百多年前,愛因斯坦提出的廣義相對論。

愛因斯坦把時間和空間視為四維時空,把引力可視為時空結構的扭曲,從而徹底顛覆了牛頓物理學對時間和空間的認識。廣義相對論發表之后求出的第一個解,其中就包含了黑洞:當一個天體的質量被壓縮到足夠小的范圍,這些質量就能進入事件視界,連光也逃不出來,它外面就是黑的。

時隔一百年后,黑洞的照片提供了其存在的直接“視覺”證據,證明在引力場極強條件下廣義相對論仍然是對的。觀測結果是與理論預言一致,這是對科學理論正確性論證必不可少的一環。

這次拍攝到的黑洞的“暗影”區域(也就是亮環以內,中心以外的部分),到黑洞中心的距離,已經達到了黑洞半徑也就是所謂“事件視界”半徑的2.5倍。通過這張照片,能夠更加仔細地研究黑洞究竟是怎樣“吞噬”物質,在它的旁邊又是怎樣形成了吸積盤和噴流現象。

總之,一張寫真照,讓黑洞從“傳說”變成了目之所及的現實。我們這一代人也足夠幸運,能夠在“家門口”第一時間見證現代科學前沿的重大進展。而在中國科學院上海天文臺協調下,國內諸多科學家也實地參與了此次國際合作,成為不可或缺的“中國元素”。□孫正凡(天體物理博士)

編輯:郭夢涵

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