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看懂首张黑洞照片 听听河北天体物理学教授怎么说

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北京时间4月10日21点整,全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海、中国台北、日本东京和美国华盛顿)将同步召开全球新闻发布会,事件视界望远镜(EHT)将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果。届时,人类历史上首张黑洞照片将在全球六地同步发布,一直“活在传说”中的黑洞,终于要揭开神秘面纱。

“我们对黑洞的认知经历了一个漫长的历史过程。早在一百多年前,爱因斯坦就在广义相对论中最先预言了黑洞的存在。随着技术的发展,一些电磁观测表明,黑洞确实是真实存在的,但从未有人见到过它的模样。这次照片的发布,首次在真正意义上实现了人类对黑洞的直观认知,验证了之前的研究理论和黑洞图景模型的构建,可以说影响非常巨大。”河北师范大学天体物理学教授崔文元介绍说,此次黑洞照片的“冲洗”,让许多天文爱好者直呼“这是黑洞历史性的宣布”。

黑洞是如何产生的?现在已知的黑洞有多少?黑洞中光都逃逸不出来,科学家是如何发现测定黑洞位置并拍照的?为何冲洗一张照片要长达两年之久……黑洞照片的首秀正在倒计时,为了更好地“亲眼目睹”黑洞的真容,一起先来认识一下它吧!

●看不见的黑洞是怎么被探测到的?

黑洞并不是一个洞,但的确是黑色的。

理论上,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种质量极大的天体,它具有的超强引力使得光也无法从它的“势力范围”内逃逸出去,该“势力范围”被称作黑洞的半径或“事件视界”。由于光都无法逃离,因此黑洞看上去的确是黑色的。

1967年,普林斯顿大学核物理学家约翰·惠勒首次使用了“黑洞”(black hole)这个词,并流传开来。

黑洞不仅自身不会发光,而且还会“吞噬”光,人类根本看不到黑洞,那是怎么探测到它的存在的?

“由于无法看到黑洞,很难直接探测,因此科学家们采用了一些间接的方式。”崔文元教授介绍称,黑洞具有超强引力,会将周围恒星的气体撕扯到身边,产生一个围绕黑洞旋转的气体盘,叫作吸积盘。当吸积气体过多,一部分气体在掉入黑洞之前,会在磁场作用下抛射出去,形成喷流。

虽然黑洞很难被观测到,但是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。因此,通过周密的计算验证,黑洞也就随之暴露。

根据理论推算,银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞,但是截至目前,科学家们只确认了20多个黑洞的存在,此外还有四五十个黑洞候选体。

●给黑洞拍照的“照相机”啥样?

举例来说,此次拍射到的是两个超大质量的黑洞,分别是银河系中心黑洞Sgr A*和位于室女座的M87星系中心的黑洞。之所以选择这两个目标,是因为它们的视界从地球上看足够大,实际效果相当于在地球上观察一颗放在月球上的橙子,或者在北京看清上海一颗高尔夫球上的小坑。

以Sgr A*为例,地球与这个黑洞的距离达到了25000光年,约为24亿亿公里,想要看清楚黑洞视界面的细节,“照相机”必须要比哈勃望远镜的分辨率还要高出1000倍以上。因此,科学家们提出了“事件视界望远镜”计划,来对黑洞展开观测。

事件视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)并不是一个传统观念的观测平台,而是分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,其有效口径尺寸可达地球直径的大小。科学家就是通过这个拥有地球直径的虚拟望远镜直接观测到了黑洞边缘的图像。

●一张照片为何需要“冲洗”近两年?

“通过EHT,科学家们会在同一时间利用多个位于不同地方的望远镜进行联合观测。观测结束后,科学家们将通过对各站点收集的数据进行相关合并与分析‘洗’出照片。”崔文元教授称。

为什么黑洞的照片要“冲洗”这么久?一方面,事件视界望远镜的使用涉及到全球8个不同地方,站点区域非常广阔,所以产生的数据量十分庞大,相当于每晚产生数据量2PB (1PB=1000TB=1000000 GB)。如2017年4月份EHT观测中的每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s,8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据(如果是这么多电影的话,至少要几百年才能看完),因此科学家不会对数据进行实时分析。

另一方面,观测结束后,大型计算机集群在对超大量的数据进行合并与分析中,还将面临很多的技术难点,因此要想产生最终的黑洞影像,需要十分漫长的“冲洗”过程。

“照片的发布将会让人们看到黑洞真实的模样,就Sgr A*黑洞而言,这也是它在25000多年前的样子。这一重大成果进一步验证了此前关于黑洞的研究理论和图景模型的构建,是人类在黑洞观测史上迈出的重要一步。” 崔文元教授说。(见习记者李嘉欢)



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