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    人类首张黑洞照片公布 第一张黑洞照片长什么样?是怎么拍出来的?

    2019-04-10 22:30 浏览:1672 评论:0 来源:发商机网







    人类首张黑洞照片公布

    北京时间4月10日晚9点许,人类史上第一张黑洞照片揭开了神秘面纱。

    这张照片在全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)同步发布。在上海,“事件视界望远镜”项目和中国科学院发布了这一重大成果。

    啥是黑洞?

    18世纪,英国地理学?#20197;?#32752;·米歇尔便已经意识到:宇宙中有致密的天体,可以达到滴“光”不漏的程度——密度大到连光?#32426;?#20840;无法逃逸。

    1968年,美国天体物理学?#20197;?#32752;·惠?#29031;?#24335;提出,将这样的天体,称作“黑洞?#20445;?#23427;们自身?#29615;?#20809;,吸入所有一切,什么都逃不出来。

    黑洞具有的超强引力使光也无法逃脱其势力范围,该势力范围称作黑洞的半径或是事件视界。

    黑洞自身?#29615;?#20809;,难以直接探测,科学家们便只能采用一些间接方式来探测黑洞——?#28909;?#35266;察吸积盘和喷流。吸积盘和喷流两种现象都因气体摩擦而产生了明亮的光与大量辐射,所以很容易被科学家探测到。

    咋给黑洞拍照?

    不过,要想观测遥远的黑洞,依靠目前地球上任何单个望远镜?#23545;?#19981;够。

    于是,全球多个国家和地区的科研人员开展了“事件视界望远镜”项目,全球各地8个射电望远镜同时对黑洞展开观测,组成一台巨大的虚拟望远镜,其口径相当于地球?#26412;丁?br />
    该项目此前宣布,用这一虚拟望远镜“拍照”的重点对象是两个黑洞,一个是位于银河系中心的“人马座A*?#20445;?#21478;一个位于代号为M87的超巨椭圆星系中心。中科院天文学教授苟利军解释说,之所以选定这两个黑洞作为观测目标,是因为它们的视界面在地球上看起来是最大的。

    其中较小的人马座 A*质量就相当于400万个太阳。然而由于它距离太远(2.5万光年),它巨大的视界面在我们看来大概只有针尖那么小。观测?#35759;?#23601;像我们站在地球上去观看一?#29615;?#22312;月球表面的橙子。

    “洗照片?#34987;?#20102;两年

    给黑洞拍张照片不容易,“洗照片”更是耗时漫长。射电望远镜不能直接“看到”黑洞,但它们能收集大量关于黑洞的数据信息,用数据向科学家们描述出黑洞的样子。

    在观测结束之后,各个站点收集的数据,被汇集到两个数据中心——位于美国麻省的Haystack天文台和德国波恩的马普射电所。在那里,大型计算机集群将会对数据时间进行合并与分析,从而产生一个关于黑洞的图像。这一分析所需的时间少则半年,长则数年。

    最终我们等了这张照片两年。

    两岸科研团队功不可没

    这次,能“拍摄”到人类历史上首张黑洞照片,来自中国大陆及台湾的科学家功不可没。

    据媒体报道,中国科学院下属的上海天文台、云南天文台等机构,以及华中科技大学、南京大学、中山大学、北京大学、中国科学院大学、台湾大学等高校都参与了研究,这也是中国上海和台北两地联合举办新闻发布会的原因。

    其中,中国大陆多个机构及大学均直接参与研究,而台湾的“中央研究院”天文及天文物理研究所,此次主要协助在格陵?#25216;?#35774;天文望远镜,并?#20063;?#19982;黑洞观测计划。

    一、黑洞照片来了!爱因斯坦说对了!

    北京时间2019年4月10日,人类首张黑洞照片发布!

    北京时间4月10日21时

    人类首张黑洞照片发布↓↓↓

    中国青年报客户端联合中科院上海天文台现场直播画面

    看到照片

    网友:怎么看不清???

    人类史上首张黑洞照片问世

    北京时间4月10日,“事件视界望远镜”(EHT)项目在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京同时召开的新闻发布会上,以英语、?#27827;鎩?#35199;班牙语、丹麦语和日语发布“事件视界望远镜”的第一项重大成果——人类有史以来获得的第一张黑洞照片。

    此前预期黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域,这正是爱因斯坦广义相对论所预言的。

    不少网友激动地表示:有生之年系?#26657;?br />
    照片冲洗费时两年

    2017年4月,事件视界望远镜(EHT)项目启动,这是一个由全球200多位科研人员共同达成的重大国际合作计划。

    EHT通过“甚长基线干涉技术”(VLBI) 和全球多个射电天文台的协作,构建一个口径等同于地球?#26412;?#30340;“虚拟”望远镜——事件视界望远镜。

    EHT的“八只眼睛”位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极,这8个射电望远镜有单镜、也有望远镜阵?#23567;?#23427;们向选定的目标撒出一条大网,捞回海量数据,勾勒出黑洞的模样。

    据介绍,黑洞照片的“冲洗”用了约两年时间。

    值得一提的是,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。

    为什么照片看不清?

    今天白天,就有不少媒体表示:黑洞的照片可能看不清!

    据科普中国解释,首先,黑洞自身是?#29615;?#20809;的,我们看到的发光实?#35782;?#26469;自于事件视界外面的物质,并不来自于黑洞本身,但黑洞的存在会在照片上留下“阴影?#34180;?#20854;次,由于黑洞强引力导致的相对论效应,如光线弯曲、引力红移等,会导致黑洞周围物质发光的不对称和扭曲。

    此外,事件视界外面的“环?#22330;?#24182;不完全干净,尘埃、气体、磁场、喷流等因素都会对事件视界外物质的发光产生影响。

    而?#36965;?#20107;件视界望远镜的?#30452;媛时暇够?#26159;有限的,图像的测量和重构过程也很复杂!

    黑洞是什么?

    理论上,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。

    它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围,该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界(event horizon)。

    宇宙中,根据质量天文学家们将宇宙中的黑洞分成三类?#27721;?#26143;级质量黑洞(几十倍-上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。

    为什么要研究黑洞?

    黑洞就在宇宙中,等着我们去研究。列举几个有意思的理由:

    第一,在我们居住的银河系中心就有一个超大质量黑洞,它的质量大约400多万倍太阳质量。

    第二,大家可能会问,这颗超大质量黑洞会影响我们的生活吗?

    第三,银河系中除了这个超大质量黑洞外,还有很多恒星级黑洞,它们和我们有关系吗?

    第四,黑洞和它所在的星系之间究竟有什么关系,这是我们非常关心的领域。黑洞自身有一堆秘密,让人着迷。

    真的有黑洞吗?

    黑洞的名字,乍一听,黑的洞,那是不是表明?#29615;?#30475;见;如果?#29615;?#30475;见,那怎么?#26925;?#36947;它存在呢?

    在这次拍照前,天文学家们是通过各种间接的证据来表明黑洞的存在,主要有三类代表性证据。

    第一,恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力,对周围的恒星、气体会产生影响,于是我们可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。

    第二,根据黑洞吸积物质(?#36828;?#35199;)发出的光来判断黑洞的存在。

    第三,通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。

    还有很多类似的证据,无不?#24471;?#20102;黑洞真实存在。

    但这还是间接的,我们想直接“看”到黑洞。

    为什么要给黑洞拍照?

    对黑洞阴影的?#19978;?#23558;能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。

    黑洞是具有强引力的,因此给黑洞拍照,最重要的目的是在强引力场的极端环境下验证爱因斯坦的广义相对论,并同时细致研究黑洞周围的物质吸积和喷流的形成及传播。

    给黑洞拍照,是要拍一张怎样的照片呢?

    广义相对论预言,由于黑洞的存在,我们将会看到中心区域存在一个由于黑洞视界而形成的阴影(shadow),其周围环绕一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环,由于黑洞的自旋及与观测者视线方向的不同,光环的大小约为4.8-5.2倍史瓦西半径(注:史瓦西半径?#35813;?#26377;自旋的黑洞的事件视界半径)。

    什么样的黑洞适合拍照?

    黑洞阴影和周围环绕的新月般光环是非常非常小的。在拍照设备能力有限的情况下,要想拍摄到黑洞的照片,毫无疑问,我们希望找到一个看起来角?#26412;?#36275;够大的黑洞作为对象。

    由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比,这也就意味着质量越大,其事件视界越大,因此近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞?#19978;?#20505;选体。位于人马座方向的银河系中心黑洞SgrA* 和近邻射电星系M87的中心黑洞M87* 是两个目前已知最优的候选体。

    银河系中心黑洞的史瓦西半?#23545;?#20026;10微角秒,其黑洞阴影的角?#26412;洞?#23567;相应为47-50微角秒,这相当于一个苹果在月球上的角?#26412;洞?#23567;(月球的角?#26412;?#26159;30角分)。M87中心的超大质量黑洞(M87*)的黑洞阴影看起来要比银心的黑洞阴影略小,约为37-40微角秒。

    什么样的望远镜可以对黑洞?#19978;瘢?br />
    要对黑洞?#19978;瘢?#24517;须要保证望远镜足够灵敏,能?#30452;?#30340;细节足够小,从而能保证看得到和看得清。满足这些条件,最好的工具莫过于1967年出现的甚长基线干涉测量(Very Long baseline Interferometry, VLBI)技术(值得一提的是,该VLBI技术也成功应用于我国嫦娥探月工程的探测器的测定位)。假定在1毫米波长观测,一个长度为1万千米的基线能获得约21微角秒的?#30452;?#26412;领。

    但大家可千万别以为,只要VLBI阵列的?#30452;媛首?#22815;高,就一定能成功给黑洞拍照。因为,情况没那么简单。如同观看电视节目必须选对频道一样,对黑洞?#19978;?#32780;言,能够在合适的波段进行VLBI观测至关重要。观测黑洞视界的最佳波段在1毫米附近。

    期待EHT项目带来

    更多伟大的成就!

    黑洞真容和你想的一样吗?

    二、刚刚,黑洞的第一张“照片”来了!

    何其?#20197;耍?#20174;此刻起,我们成为史上第一代“看见”黑洞的人!

    它和你想象的一样吗?是像一面燃烧的火墙、张开血盆大口的黑暗?#36136;蓿?#36824;是和《星际穿越》中的卡冈图雅黑洞一样,有着深不见底的黑色中心?

    一切的猜想在北京时间2019年4月10日21时07?#20013;?#21578;结束。这一刻,在中国上海和台北、在比利时布鲁塞尔、在智利圣地亚哥、在日本东京、在美国华盛顿,事件视界望远镜(EHT)国际合作组织的科学家们用?#27827;鎩?#35199;班牙语、日语和英语同时发布了世界上首张黑洞照片,这是超大黑洞的第一个直接视觉证据。这张备受全球瞩目的“照片”揭示了室女座星系团中超大质量星系Messier87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍,是从地球上望去最大的黑洞之一。

    “爱因斯坦是对的。”中国科学院上海天文台台长、研究员沈志强在发布会上肯定地说。在理论上,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体,它具有超强的引力,使得宇宙中最快的光也无法逃脱它的势力范围。广义相对论的提出,距今已经104年了。为什么要给黑洞拍照?这照片缘何迟迟?#25293;?#25293;到?怎么给黑洞拍摄和冲洗照片?当曾经的遥不可及首次褪去神秘光环,更多的问号?#27493;?#36405;而来。

    黑洞其实很“简单”

    黑洞理论的历史,可以追溯到很久以前,但直到上世纪70年代,人类才开始利用天文手段开展观测(在此之前,科学家对黑洞的认识停留在“说说而已”的阶段),其后的近50年里,人们一步步逼近黑洞。在这张照片问世前,科学家们通过各种间接证据来表明黑洞的存在。“邻居”恒星、气体的运动暴露了黑洞的踪迹,根据黑洞“进?#22330;?#21457;出的光来判断它的存在,抑或是通过“围观”黑洞的成长过程来“看见”黑洞……然而,在这个无图无真相的时代,没有什么比一张照片更有说服力了。

    沈志强说,“从某种意义而言,黑洞其实是一个很简单的天体?#34180;?#20182;的意思是,黑洞其实只有质量、旋转和电荷三个要素。2015年9月,人类第一次听到了两个黑洞相互碰撞的天籁之音:引力波。之后,科学家们更是加快脚步,为一探黑洞的“庐山真面目”而努力。2016年起,事件视界望远镜项目(EHT)频繁组织会议,同时也为联合观测做着包括优化数据记录、提高观测灵敏度在内的技术储备。“事件视界”的名字,来源于黑洞的一个专?#24471;?#35789;:黑洞一旦形成,就会在其势力范围周围形成一个界面,被称作“事件视界?#34180;?br />
    “拍照”和“冲洗”着实不简单

    正式给黑洞“拍照?#20445;?#22987;于两年前。

    2017年4月5日至14日之间,来自全球30多个研究所的200余名科学家们开展了一项伟大的观测计划——利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜(阵)组成一个虚拟望远镜网络,也被称为“事件视界望远镜?#34180;!?#19990;界上该领域的几乎所有科研人员,都不同程度地参与其中了。”沈志强介绍。这是一个总口径等效于地球?#26412;?#30340;虚拟巨型望远镜,其?#30452;?#26412;领比著名的哈勃空间望远镜还要高出1000倍,达到的?#30452;?#29575;约20微角秒,足以在巴黎的一家?#32321;?#21654;啡馆阅读到身处纽约的报纸。

    “八?#20540;堋?#27492;次观测目标有两个,一是银河系中心黑洞人马座A* ,另一个位于星系M87中的黑洞,两者都是公认的黑洞研究的最佳对象。值得一提的是,人马座A*是沈志强的“老朋?#36873;?#20102;。早在2005年,沈志强领衔的国际天文小组,首次将黑洞人马座A*?#20843;?#23450;”在1.5亿公里?#26412;?#30340;区域内,将黑洞的搜索范围缩小了至少一半。

    观测黑洞,对地理环境有着近乎?#37327;?#30340;要求,海拔低的地方并不合适,这也直接否决?#21496;?#22823;多数的天文台址。然而,在空气稀薄的高海拔区域,对设备、技术和人,都是考验。“要对黑洞?#19978;瘢?#26395;远镜得足够灵敏,能?#30452;?#30340;细节足够细小,从而保证看得到以及看得清。”中科院上海天文台研究员路如森表示,“满足这些条件,最好的工具莫过于成功应用于我国嫦娥探月工程探测器测定位的甚长基线干涉测量(VLBI)技术。” 路如森和沈志强告诉记者,这些高精尖的望远镜里的工作环境可不友好,通宵作战是必需的,偶尔飙出个高血压也很平常,把重重的磁盘阵列放入设备中还是个力气活,更别提?#23545;?#22320;球最南端的南极点了,仅仅是观测数据的取回就花了小半年。

    创建EHT是一项艰巨的挑战,需要升级和连接部署八个现有的射电望远镜(阵)来组成全球网络,而这些望远镜分布在各种具有挑战性的高海拔地区,包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州的山脉、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠以及南极点。包括8名上海天文台科研人员在内的16位中国大陆科学家参与了位于夏威夷莫纳克亚山上的15米望远镜(JCMT)的观测运行,其中一位今天?#27493;?#20986;席在美国华盛顿的联合发布会。

    ?#20843;?#28982;中国没有大科学设备参与观测,但我们在观测层面做出?#21496;?#26377;国际显示度的积极?#27605;住?#20174;EHT的雏形起,我们就一直参与其中。VLBI技术1967年在世界上首次试验成功,中科院上海天文台从上世纪70年代起便开始且始终对推动国内VLBI技术的发展发挥了主导作用。这也是为什么选择上海作为六个发布现场之一的原因。”沈志强的话语中流露着?#38498;馈?br />
    还值得一提的是,虽然上海的天马望远镜的最高工作?#24503;?#26159;43GHz,不在“事件视界望远镜”之?#26657;?#20294;在2017年EHT全球联合观测的3-5月期间,上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜作为东亚VLBI网成员共同参与了密集的毫米波VLBI协同观测,为最终的M87黑洞?#19978;?#25552;供了总流量的限制。

    在2017年4月的观测前,科学家们已经利用毫米望远镜对M87星系的黑洞和人马座A*开展了?#20013;?#22810;年的?#30333;?#36394;?#20445;?#24182;取得了?#19978;?#30340;成果。为了增加空间?#30452;?#29575;,科学家们在此次观测时增加了位于智利和南极的望远镜(阵),这也对观测窗口的天气提出了更?#37327;?#30340;要求。“特别?#20197;?#30340;是,观测期间,分布在全球六地的8面射电望远镜(阵)所在地的天气都出奇的好。”沈志强告诉记者。

    为黑洞拍照已是一项复杂工程,“冲洗”照片更是让人们等了足足两年。对此沈志强解释,科学家们用了大量时间比较分析,以期得到无可置疑的图像。“希望将来大家能记住今天的这一时刻。”

    神秘天体的神秘“阴影”

    黑洞自身并?#29615;?#20809;,那么,给黑洞“拍照?#26412;?#31455;是拍什么呢?#30475;?#26696;是黑洞的“阴影?#20445;?#23601;好像是给神秘的黑洞拍了一张神秘的剪影照。据介绍,黑洞以极端方式影响着周围的环境,让时空弯曲,并将周围的气体吸进来。在?#26031;?#31243;中,气体的引力能转化成热能,因此气体的温度变得很高,会发出强烈的辐射,很是明亮。“如此一来,黑洞就像?#20004;?#22312;一片类似发光气体的明亮区域内,我们预期黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域。这正是爱因斯坦广义相对论所预言的,可我们以前从未见过。”EHT科学委员会主席、来?#38498;?#20848;拉德堡德大学的海诺·法尔克解释。“这个暗影的形成,源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获。暗影揭示了黑洞这类迷人天体的很多本质,也使得我们能够测量M87中心黑洞的巨大质量。”

    2005年,沈志强领衔的国际研究组用散布于美国大陆的10面25米射电望远镜组成的甚长基线干涉阵获得了世界上第一张3.5毫米波长的人马座A* 图片。这一次,“八?#20540;堋?#30340;工作波段为1.3毫米。“在现实生活中,2.2毫米几乎微不足道。可在天文观测中,这是一个跨越式的提升,足以让我们看清黑洞的阴影。”沈志强表示。

    取得首张黑洞照片,对于科学家们而言更是一种激励。如今,他们已经紧锣密?#30446;?#22987;了可以工作在375GHz?#24503;省?.8毫米波长的射电望远镜的测试工作。“对M87中心黑洞的顺利?#19978;?#32477;不是EHT国际合作的终点站。”上海天文台台长沈志强研究员说,?#20843;?#30528;法国阿尔卑斯山IRAM NOEMA天文台、格陵兰望远镜和美国基特峰望远镜的加入,未来EHT的灵敏度将显著提高。我们期望观测更多黑洞、更多天体,也相信在不久的将来EHT会有更多令人兴奋的结果。”

    三、中心阴影,四周围绕新月状光环!第一张黑洞照片来了!

    北京时间4月10日晚9点07分,全球六地通过协调召开全球新闻发布会,人类首张黑洞照片在全球六地同步发布。

    据介绍,该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。
    它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环。

    “现在看到的照片大体来说有两个部分,严格来说是两个结构。”中国科学院上海天文台研究员袁峰在发布会现场说,一部分是中心区域不太发光的阴影,另一部分是围绕这个阴影的发亮的圆环。圆环发的光就是从吸积盘上发出的,而黑色的阴影要比黑洞本身要大几倍,这证实了爱因斯坦广义相对论的预言。

    据袁峰介绍,照片上的黑洞离地球有5000多万光年,照片上是它5000多万年以前的样子。黑洞周围的空间是弯曲的。黑洞本身是不可见的,把黑洞放到放光的?#23576;?#37324;,看到的照片就是这样的。“现在看到的亮环就是光线扭曲以后得到的结构,如果不扭曲的?#22467;?#26159;看不到这样的图像的。”他说。

    “理论和观测是互相促进的。”他表示,目前来看,这张照片验证了爱因斯坦的广义相对论,后续的观测将解决一些还没搞清楚的问题。

    划重点:黑洞影像能告诉我们什么?

    爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立!

    超?#37117;?#31639;机模拟黑洞附近等离子体的运动。

    四、第一张黑洞照片是如何拍出来的?你想知道的都在这里了!

    有史以来第一张直接?#19978;?#30340;黑洞照片终于出来了!

    国家科学基金会(NSF)刚刚全球同步,发布了2017年4月拍摄的室女A星系(M87)中心的黑洞照片。虽然我有点小小的失望,一是此前就以吊足我们胃口的银河系中心黑洞照片并没有出来;二是直接?#19978;?#30340;黑洞照片并不像此前期待中那样极度壮观,事前想象的惊掉下巴也楞没掉下去。不过这毕竟是人类历史上第一次直接拍摄到黑洞照片,肯定有很多朋友急切地想知道,为什么我们看到第一张黑洞照片如?#22235;?#31946;,拍摄会如此艰难,需要等待如此漫长的时间,以至一生研究黑洞,对黑洞理论发展做出主要?#27605;?#30340;英国著名理论物理学?#19968;?#37329;,也无法在有生之年一睹它的风采,而抱憾离去。

    黑洞是什么?

    虽然大?#20197;?#24050;对黑洞熟悉得不能再熟悉了,我首?#28982;?#26159;要提出这个问题。我们的宇宙极为空旷,相当于平均每四立方米空间里只有一个?#39318;櫻?#28982;而这并不是宇宙的真实情况,因为绝大多数物?#35782;?#32858;集在一起,形成了星系、恒星及行星等天体,宇宙中绝大多数地方的密度?#26085;?#36824;要小得小得多!宇宙就像一张巨大的,无边无际的网,星系、恒星、行星等物质就是网本身,而网间的空?#33258;?#26159;宇宙真空,所有天体都靠引力编织在一起。

    在我们眼里的宇宙,恒星占据?#21496;?#23545;主力的位置,向上,它组成了星系,向下,它维系着行星、卫星及小行星、碎片等组成的恒星系?#24120;?#26159;我们地球生命之所以能诞生的关键。

    宇宙中的恒星,都是由氢聚集在一起形成的。有质量很小的红矮星,约占宇宙中恒星总数的73%,我们太阳周围最近的65颗恒星,有50颗都是红矮星。由于红矮星质量较小,氢在其中心聚变反应的速度?#19979;?#22240;此可以稳定燃烧数万亿年到十几万亿年的时间,而目前宇宙整个才形成137亿年,因此对我们来说,红矮星几乎可以说是永恒的存在,没有生命的尽头。

    像我们太阳大小的恒星,其寿命大约有100多亿年。在生命周期的末期,太阳会因核心温度升高加快氢聚变,释放更多能量变成红巨星,将水星、金星甚至地球?#32426;?#27809;;太阳中心的氢燃烧完后,会在1亿度高温下点燃氦聚变,燃烧氢聚变生成的氦,逐步形成致密的白矮星核心。经过不断的氦闪和脉动,太阳外层的气体被不断驱离,最后裸露出核心的白矮星,太阳就会停止聚变反应,变得和地球差不多大。

    比太阳更大的恒星,如果最后剩下的致密核心超过1.4倍太阳质量,就会经历超新星爆炸,核心在引力作用下?#26412;?#22349;缩成中?#26377;牽本?#21482;有十多公里;而如果质量达到太阳的3.2倍以上,就会坍缩成我们今天的主角——黑洞。

    所以黑洞是聚集在一起的物质无法对抗自身引力而坍缩形成的致密天体,是宇宙中时间和空间破裂的地方,宇宙的物理定律在黑洞里面已经不起作用了,你甚至可以把它理解为一个和我们宇宙无关的地方,我们谁也不知道进了这个洞,会去到哪里,会发生什么。

    超大质量黑洞是什么?

    上面所说的是恒星黑洞,也就是恒星坍缩后形成的黑洞。实际上还有一类黑洞叫超大质量黑洞,在每个星系的中心都至少有一个这样的黑洞,利用其引力将整个星?#30340;?#32858;成形。这类黑洞质量最小的也有几十万个太阳质量,最大的可能有数百亿个太阳质量。

    超大质量黑洞的形成,一种是缓慢吸积周围物质形成的;一种是数十万个太阳质量的星云,逐步萎缩成相对论星体后,不经历超新星爆炸而直接坍缩形成黑洞;还有就是核心正在坍缩的高密度星团,在大爆炸?#24067;?#20174;外向内压直接制造原生黑洞。

    另外还有微型黑洞,或称为量子黑洞,以及介于恒星黑洞和超大质量黑洞之间的中介质量黑洞,迄今为止都还只在理论上存在,科学家们从未观察到。

    总之,不管采取什么办法,只要你能够将足够多的物质,装入足够小的空间,就能够制造出黑洞。?#28909;緡分?#26680;子研究中心的LHC强子对撞机,就曾被认为会产生微型黑洞,甚至一度引起巨大?#21482;擰?br /> 黑洞像什么?

    黑洞的所有质量都集中在中心那个密度趋近于无限的奇点。由于黑洞引力奇大,周围一定范围内任何物?#35782;?#26080;法逃脱,而只有乖乖地等待着被吸进奇点,没有任何办法可以再重返这个宇宙。?#28909;?#20320;被吸进黑洞后,你和这个宇宙的唯一交集,也就只剩下你的质量带来的引力了。

    这个所谓的一定范围,就是黑洞的事件视界。黑洞的引力是如此强大,以至于在这个视界表面,连光都无法逃离——进入这个视界,你就被这个世界彻底屏蔽了,你所发生的一切事件,这个宇宙都不再有任何人能看见。大概这就是事件视界这个名称的由来,视界之外,你还是你,视界之内,谁也不知道你是什么了。

    ?#32433;四?#23601;可知道黑洞像什么了。黑洞实?#20160;?#26159;一个洞,而是完全黑色的球体——由于光线无法逃离视界,我们能看到的黑洞就是一个以视界为半径的纯黑球体。黑洞质量越大,视界半径也越大。由于视界半径与黑洞质量成正比,而视界内的体积以三次方增长,所以质量越大的黑洞,其视界内的密度反而越小,一些超大质量的黑洞,其密度甚至比空气还轻!

    然而,宇宙空间极其广袤,最主要的是极其空旷,到处都漆黑一团,一个纯黑的球体在里面,你就?#19978;?#32780;知了,所以黑洞像什么,我写到这里,实际还是没有答案。一些科学家甚至认为,太空中可能存在很多很多这种看不见的黑洞,宇宙中?#31350;?#28040;失的大部分物质——暗物质,可能就是由这些黑洞构成的,当然,这个假设并不是目前关于暗物质的主流理论。

    如何?#25293;?#30475;见黑洞?

    可能你已经迫不及待想问了,究竟怎样?#25293;?#30475;见黑洞啊?

    黑洞虽然看不见,但它拥有强大的引力,可以和周围的物质相互作用,我们可以通过观察宇宙中物质的异常状态来发现黑洞。?#28909;?#20809;线的扭曲,异常活跃的物质运动等等。换言之,我们能够看见的是黑洞的轮廓,通常在黑洞周围,由于强大引力的作用,会有被加热的超级明亮的气体围绕其视界高速运动。
    虽然如此,但黑洞实际还是很难?#29615;?#29616;,因为黑洞形成后会吸入它周围的物质,加之它和其它天体?#32469;?#26469;小得可怜,导致它很难被直接观察到。就像你在熊熊燃烧的火焰里放一个小小的玻璃球,虽然它可以影响周围物质的运动,但你是很难注意到它的存在的。

    所以要想看见黑洞,还需结合它对周围天体的作用和影响进行观测。?#28909;紓?#24403;黑洞吸入恒星材料时,会在周围形成巨大的吸积气盘,盘中的气体在强大的引力作用下,获得巨大的能量,从而剧烈地摩擦发热,辐射出强烈的的X射线。通过检测这些高能射线,我们就可间接获知黑洞的存在,并进行研究。

    即使如此,自黑洞理论诞生以来,能够被确认为黑洞候选者的天体也寥寥可数,更没有任何一个黑洞被直接观察到。

    看见第一个黑洞有多难?

    要看到一个黑洞是如此的困难,如此的令人绝望,相信很多人已经?#29260;?#35813;干嘛就干嘛去了。但科学家们是永远不会说?#29260;?#30340;,因为在我们银河系的中心,就有一个400万倍太阳质量的超大质量黑洞,如果连我们自家星系的这个庞然大物都看不到,怎么能说人类科学进?#25581;?#21040;达新的高度?#22235;兀?br />
    然而理想是丰满的,现实是骨感的。虽然银河系中心的超大质量黑洞质量达太阳的400万倍,但其?#26412;?#20165;为4400万公里,连水星轨道的一半都不到。也就是说,假如把这个黑洞放到太阳的位置,其视界还不到水星轨道的一半。

    也许你会说,这么大啊?已经不小了?#26705;?#38382;题是,银河系中心离我们的距离为26000光年,要想看到这个黑洞,根据科学家们的说法,就相当于我们要从地球上看到月球上的一个柠?#21097;?br />
    除非我们的眼睛和地球一样大,否则一切免谈!

    即使你的眼睛真的和地球一样大,那也是看不到的,因为在银河系中心黑洞和我们地球之间,横亘着一圈巨大的尘埃环,挡住了我们的视线,否则我们在夜晚仰望?#24378;?#30340;时候,黑洞所在的人马座A*会明亮得多。
    似乎一切办法都没有了,人类这个渺小的生命就活该被浩瀚的宇宙忽略,在渺如尘埃的地球上卑微地活着?然而我们是具有高度智慧的生命,我们正在向宇宙规律发起挑战,没有什么是我们不能做到的。

    如何拍摄第一个黑洞?

    由于可见光的波长太短,任何光学观察器?#27169;?#19981;管是我们的眼睛还是天文望远镜,都无法突破这个巨大的星际尘埃环;就像你站在雾中,要想看清遥远的灯光一样,重重浓雾迷?#38378;四?#30340;视线。

    然而,我们还有一种望远镜,那就是像中国天眼一样的射电望远镜,由于射电波,即无限电波波长极长,完全可以突破这些尘埃的封锁,“看到”银河系中心的黑洞。就像我们在室内,依然可以收到手机基站传来的无线电波,射电望远镜,也可以接受到来自银河系中心的信息。

    通过多年来的观察,科学家门已经发现,银河系中心区域活跃着大?#31185;?#20307;和尘埃,围绕着黑洞高速运行,被加热到了数十亿度,发射出大量的各个波段的辐射。虽然从可见光到X射线的辐射都被星际尘埃挡住了,但无线波段是可以看见的!

    然而单一的射电望远镜,即使是全球最大的中国天眼,?#27493;?#20165;只有500米的口径,和地球一样大的眼睛?#32469;?#26469;,就像萤火虫和太阳相比,完全可以让凯撒大帝都陷入无边的绝望之中。

    不过,虽然我们没有地球一样大的眼睛,但我们?#20174;?#26377;超越我们星球乃至太阳系整个银河系的非凡?#29616;?#31185;学家们发现,如果将分布在世界各地的射电望远镜连接起来,就可借助算法将各个独立望远镜同时观察同一个目标的数据协调起来,形成一个口径等效于地球?#26412;?#30340;虚拟望远镜,将其?#30452;?#29575;提高到足以观察黑洞事件视界尺度结构的程度。

    这个计划被称为事件视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT),于2012年在美国亚利桑那州启动,先后有12个国家的30多所大学、天文台及政府和研究机构参与,并在2017年4月,对银河系中心人马座A*和M87星系中心进行了为期10天的全球连线观测。调动的射电望远镜包括智利阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵?#26657;ˋLMA),南极点的南极望远镜,以及美国、?#20998;?#31561;地共8台望远镜,形成了一个?#26412;?#36229;过12000公里的巨大虚拟望远镜。

    由于数据庞大,无法通过网络传输,观测完成后,所有数据?#32426;?#36807;硬盘空运到美国马萨诸塞州麻省理工学院的海斯塔克天文台,以?#26263;?#22269;波恩的马克斯普朗克电波天文研究所进行处理,南极的数据甚至等到当年10月冬天过后才运送出来。

    此前想象的拍摄到的第一张黑洞照片(银真实的黑洞照片(M87星系中心)

    最初的预测是去年4月公布有史以来第一张直接?#19978;?#30340;黑洞照片,然而庞大的数据处理量却让计划一?#26174;僂希?#30452;到今天,我们才终于看到室女A星系(M87)中心的黑洞,并且未能看到我们?#32422;?#26143;系中心的黑洞照片,殊为遗憾!

    M87是一个巨大的黑洞,其质量达到了67亿倍太阳质量,距离我们约5350万光年。由于南极望远镜无法观测到整个黑洞,所以参与拍摄的只有7台望远镜,可能这也是它的质量不是很好的原因吧。希望银河系中心黑洞的照片能够尽快出来,因为在视?#26412;?#19978;它会比M87黑洞更大一些,或许会更清晰一些吧。

    今天我们能够看到这张壮观的黑洞照片,可以说已经耗竭了全球科学家们多年来的努力和资源,让我们为科学家们加油喝?#21097;?#20026;人类文明取得的又一个里程碑式的突?#33529;?#21628;?#20872;景傘?br />

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