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涨知识 | 黑洞是个什么“洞”,如何给它拍照?

  北京时间4月10日晚21时许,“事件视界望远镜”项目在中国上海和台北、美国华盛顿、日本东京、比利时布鲁塞尔和智利圣地亚哥同时召开新闻发布会。发布会上,有一张全球200多位科学家们用八个望远镜(阵)合力拍摄、并“冲洗”了两年的神秘照片终于与公众见面。

  这就是人类有史以来获得的第一张黑洞照片。

图片来源:事件视界望远镜合作组织

图片来源:事件视界望远镜合作组织

  据介绍,此次发布的黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞,其距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。该图像的许多特征与爱因斯坦广义相对论的预言完全相一致,在强引力极端环境下进一步验证了广义相对论。通过研究这个图像,人类将揭示出黑洞这类天体更多本质。

  那么,什么是黑洞?黑洞是怎样形成的?科学家是如何让它现形的?一起来看!

黑洞是什么?

  自上世纪中期开始,人们对黑洞的探秘就从未停止过。

  200多年前,英国的米歇尔和法国的拉普拉斯就曾提出:一个质量足够大但体积足够小的恒星会产生强大的引力,以致连光线都不能从其表面逃走,因此这颗星是完全“黑”的,但这一推论随后被人遗忘。

  1915年爱因斯坦发表广义相对论不久,德国数学家史瓦西得到了静态球对称情况下爱因斯坦场方程的一个解,解在一个特殊半径(后称史瓦西半径)处存在奇异性。

  M87星系中心的超大质量黑洞的模拟图像。中间的黑色区域是黑洞的剪影。| 图片来源:Jason Dexter (左) and Kazunori Akiyama (右)

  M87星系中心的超大质量黑洞的模拟图像。中间的黑色区域是黑洞的剪影。

  1939年美国物理学家奥本海默等也证明确实存在一个时间-空间区域,光也不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。这一区域的边界称为视界,在静态球对称情况下,视界半径就是史瓦西半径。如果某天体的半径小于史瓦西半径,那么该天体就应该是“黑”的,无法被我们看到。

  科学家们把这些引力极强而又“看不到”的特殊天体称为“黑洞”。因此,黑洞也是爱因斯坦广义相对论预言的一种产物。

宇宙中的黑洞分为哪几类?黑洞又是怎么被发现的?

  天文学家们发现在一些被X射线望远镜发现的双星(由一个致密星和另一个正常恒星组成)中,致密星的质量比中子星的质量上限(约为3倍太阳质量)还大,但半径却差不多,因此认为这些引力极强的致密星只能是黑洞。

  目前在银河系中已发现20多个黑洞X射线双星,它们的黑洞质量大约是太阳质量的5到20倍。

黑洞剪影的模拟图像:广义相对论预言剪影是圆形的(中),其他理论则预言了不同的形状(左、右)。| 图片来源:D. Psaltis and A. Broderick

  黑洞剪影的模拟图像:广义相对论预言剪影是圆形的(中),其他理论则预言了不同的形状(左、右)。

  最近几年,地面激光干涉引力波天文台(LIGO) 已宣布已探测到11对双黑洞并合产生的引力波,这些黑洞的质量都是几十个太阳质量。

  天文学家通常把这些质量为几个到一百个太阳质量的黑洞叫恒星级黑洞。

  二次世界大战后,雷达技术广泛用于射电天文,许多宇宙射电源被发现。这些射电源的光学像有的看起来很像恒星,但光谱观测显示它们本质上不是恒星,而是谱线有巨大红移的银河系外遥远天体。

  这些被称为“类星体”的活动星系核能辐射出比银河系高成千上万倍的能量,其发光原理不能用核反应来解释。

  科学家们认为类星体的能源来自于其中心质量极大的黑洞吸积周围物质所释放出的巨大引力能↓

类星体中心超大质量黑洞及吸积盘、喷流示意图

类星体中心超大质量黑洞及吸积盘、喷流示意图

  后来的观测表明像我们银河系这样的正常星系中心也存在质量在百万太阳质量以上的黑洞,只是因为这些正常星系中心的黑洞周围没有多少可供吞噬的物质,所以其表现不如类星体中心的黑洞“活跃”,无法释放像类星体那样巨大的能量。

  天文学家把类星体和星系中心质量在百万到百亿倍太阳质量的黑洞叫超大质量黑洞。

  那么宇宙中是否存在介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间、质量为几百到几十万倍太阳质量的中等质量黑洞呢?天文学家虽然在一些近邻星系的极亮X射线源中似乎已找到中等质量黑洞存在的迹象,但还需更多的观测予以证实。

  如何给黑洞拍照?

  虽然天文学家已发现了众多的恒星级黑洞和超大质量黑洞,但都是通过黑洞强大的引力对周围物质和恒星的影响而间接探测到的。

  宇宙中的黑洞自身虽然是不发光的(霍金辐射在天文学家发现的黑洞中太弱,可忽略不计),但因为黑洞不是孤立的,它们对周围物质和恒星的影响可产生丰富的观测现象让天文学家发现它们,并测量出其最重要的物理参数——质量。在少数情况下,天文学家甚至还可利用观测结果测量出一些黑洞的自转。

  但至今还缺乏对黑洞的直接探测和成像。黑洞最主要的特点是存在事件视界,大小为史瓦西半径。

恒星级黑洞系统示意图

恒星级黑洞系统示意图

  对质量为几十个太阳质量的银河系内恒星级黑洞而言,史瓦西半径只有几十公里,而这些黑洞距离我们都有上万光年(1光年约为9.5万亿公里)之遥,事件视界的大小相对于距离实在太小了,所以完全无法探测。最可能对其事件视界直接成像的黑洞是离我们很近的两个超大质量黑洞,即人马座方向银河系中心和室女座方向射电星系M87中心的黑洞。

  银河系中心黑洞Sgr A*质量约为4百万太阳质量,距离我们2.5万光年,事件视界半径约1.2千万公里。射电星系M87中心黑洞质量为60亿太阳质量,距离我们5千万光年,事件视界半径约180亿公里。

  要对这两个超大质量黑洞的事件视界附近照像,望远镜的分辨率需要达到十个微角秒(一微角秒为百万分之一角秒)左右,这相当于要分辨出月亮上的一个乒乓球,对于人类是一个极大的挑战!著名的哈勃空间望远镜的分辨率也只有0.05角秒。

  但天文学家还是想出了办法,他们利用分布在全球几大洲的8个毫米波望远镜组成干涉阵列(即事件视界望远镜EHT),阵列的基线长度和地球大小相当,角分辨率可达几十微角秒,因此具备对银河系中心黑洞和射电星系M87中心黑洞视界面附近区域进行成像的能力。

发布时间:2019年04月11日 08:41      来源:共产党员网 打印

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