黑洞的真实面目有可能快“看”到了

摘要: 黑洞的所有特征无法全面验证,因此天文数据库当中,并没有黑洞,仅有黑洞候选星。

10-10 20:12 首页 利维坦

利维坦按:黑洞形成后,会不断吸入周围的物质而导致后者难以被观测到,因此往往无法仅依靠天文观测来发现黑洞。宣称某个星体是黑洞,通常都只给出几张模糊的照片或部分的数据,黑洞的所有特征无法全面验证,因此天文数据库当中,并没有黑洞,仅有黑洞候选星。比如文中的人马座A*。按距离26000光年来计算,人马座A*的直径约为4400万公里。


引力透镜模拟的黑洞,可看出在星系背景扭曲的图像


不过我还是对“黑洞信息佯谬”更感兴趣一些,霍金曾提出一个假说,他认为,黑洞实际上无法吞噬和消灭物理讯息,就算掉入黑洞,也是可以出来的。只不过,你无法回到我们的宇宙(从本宇宙永远消失了)……



文/Ron Cowen

译/杨睿

校对/石炜

原文/news.nationalgeographic.com/2017/04/black-hole-event-horizon-telescope-pictures-genius-science/

本文基于创作共用协议(BY-NC),由杨睿在利维坦发布


智利沙漠中的阿塔卡玛大型毫米/次毫米波阵列的一部分,包含66个天线(图源:NRAO,AUI,NSF)


在银河系的心脏位置,隐藏着一个庞然大物,被层层“面纱”笼罩着,尚未被人弄清它的真正面目。


直到天文学家结束了五晚的观测之后,我们也许才终于捕捉到了黑洞的第一张影像。
质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽、死亡后,发生引力坍缩产生黑洞。人类无法直接观测黑洞,只能通过间接方式了解它的存在和质量,观测到它对其他事物的影响。因此,黑洞的第一张影像意义重大。


更确切地说,天文学家希望拍摄到的是其实是黑洞周围的神秘地带。这个区域被称为事件视界(event horizon),是一种时空的曲隔界线。在非常巨大的重力影响下,黑洞附近的逃逸速度大于光速,任何东西,即便是光也不可能从事件视界内部逃脱。


银河系中心的超大质量黑洞模拟图(图源:NRAO,AUI,NSF)


超大质量黑洞位于银河系的中心地带(图源:NRAO,AUI,NSF)


地面上的射电天文台与两架太空望远镜合作,得到了星系中心的影像(图源:NRAO,AUI,NSF)


天文学家的最后一次观察结束于2017年4月11日上午11:22,团队成员文森特·菲什(Vincent Fish)心满意足地坐在麻省理工学院海斯塔克天文台的办公室里。天文台位于马萨诸塞州东北部一座名叫韦斯特福德的城市。在过去的一周里,菲什24小时待命,要休息也只能把手机放在身边、调大铃声音量,断断续续地小憩片刻。


最后一批数据到达项目观测站时,菲什在射电天文学家和工程师的聊天专线上看到了蜂拥而至的祝贺之辞。有人评论说,他要开一瓶50年陈的苏格兰威士忌。另一个人说他正在享受《波西米亚狂想曲》的振奋和弦。


菲什说:“我很开心,觉得如释重负。我好期待能睡一整夜的好觉。”


但这种如释重负的感觉中还夹杂着一些忐忑和期待:庞大的数据需要时间来处理,团队必须要花几个月的时间才能真正确定他们付诸的努力取得了成功。


银河巨人:美国宇航局的望远镜观测到,在遥远的星系中心,有一圈恒星环绕在黑洞周围(图源:NASA/JPL-Caltech)


荷兰拉德堡德大学的射电天文学家海诺·法尔克(Heino Falcke)说:“即使第一批影像质量不佳、失败了,但我们已经可以初次在黑洞的极端环境下,检验爱因斯坦重力理论的一些基本预测。”


爱因斯坦革命性的理论于1915年问世,他提出物质会扭曲或弯曲时空的几何结构,人类以重力的形式感受到这种时空扭曲。存在超大质量黑洞是爱因斯坦理论的首批预测之一。


法尔克表示:“它们是空间和时间的最终终点,可能代表着人类知识的最终极限。”然而,天文学家目前只有间接证据表明:这些超大质量黑洞隐藏在宇宙中各大星系的核心区域。即使是爱因斯坦本人也不确定它们是否真的存在。


根据法尔克的说法,第一批影像将掀开笼罩黑洞的层层“面纱”,“把黑洞从原本神秘的东西转变成我们可以学习的实体。”


除了超大质量黑洞之外,天文学家还找到了较轻质量黑洞散布于许多星系的间接证据,包括美国国航局X射线望远镜捕捉到的爆发(图源:NASA, STSCI, Middlebury College, F. Winkler等人)


艰难的气象观测


这项工作能取得今天的成果是靠着多年的精心规划和全球合作。不论是位于夏威夷的最高峰,还是坐落于冰冷的南极冻原,世界各地有八个观测站参与其中、共同奋斗。这八个天文观测站的网络相连,创建了一个和地球一样宽的虚拟望远镜。


凝望无底洞


世界各地威力强大的射电望远镜可以同步工作,增强有效分辨率和灵敏度,超越任何的独立望远镜。各设备(称为“事件视界望远镜”阵列)间的遥远距离实际上提高了阵列的有效性。



从4月4日开始,在为期十天的观测时间里,被称为“事件视界望远镜”的天线网络睁开了它的眼睛,注视着浩瀚宇宙。


望远镜瞄准了两个超大质量黑洞:一个黑洞位于银河系的中心,重达400万个太阳,被称作人马座A *(Sagittarius A*);另外一个黑洞位于附近星系M87的核心地带,质量约为前者的1500倍。


此前,事件视界望远镜已经探测过这些庞然大物的附近区域,但这是该网络首次将南极望远镜和智利66个天线构成的阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波天线阵(ALMA)囊括在内。


阿塔卡玛天线阵将事件视界望远镜的敏锐度提升了10倍,甚至可以看到月球上高尔夫球大小的东西,因而可以拍摄到两个黑洞附近小到惊人的事件视界。


多年来,天文观测团队一直在讨论观测时间,给每个观测站配备至关重要的电子装备。但最终,他们在一些人力无法掌控的因素面前束手无策:天气。


天文学家利用毫米波无线电波来观察这些黑洞。在这一波长带上,光可以穿透星系中心浓厚的气体和尘埃,相对畅通无阻地朝地球行进。


但同时水会吸收并发射无线电波,这也就意味着降水会影响观测。


为了最大限度地减小降水的影响,射电望远镜都架设在高海拔地区:山顶或高原沙漠。但飘来的云、雨或雪仍然会让天文台离线,不能正常工作。高海拔地区的强风也会导致望远镜关闭。


菲什说:“各观测点天气都相当好的几率几乎为零。”


在观测期间,天文学家们只有五个晚上的机会。菲什和同事们每天都要伤脑筋地决定是否要启动网络,同时他们还要考虑到每个站点当前的天气状况,操心未来几天的天气变化情况。菲什留在麻省理工学院的观测站点,在一个屏幕上持续不断地监测各站点的天气情况,在另一个屏幕上与其他天文学家进行沟通。


哈佛-史密松森天体物理中心(位于马萨诸塞州剑桥)事件视界望远镜项目主任谢普·杜勒曼(Shep Doeleman)说:“如果某天晚上你启动了网络,结尾却是(坏)天气,那实在是一件令人心碎的事。”取消观测之后,那一晚又是好天气也很让人伤心。


不太好看的“花生”


现在,五天的观测已经完成。天文学家们要经过漫长的等待和几个月的分析,才能知道他们是否能得出黑洞的影像。


每个天文台记录的数据非常之多,无法以电子方式传输。所有望远镜的信息相当于一万台笔记本电脑的存储容量,已经被记录在1,024个硬盘上。这些硬盘必须寄到事件视界望远镜的加工中心,分别位于麻省理工学院海斯塔克天文台和德国波恩的马克斯·普朗克射电天文学研究所。


南极望远镜的硬盘要等到冬季结束,也就是十月底才能寄出。


一旦数据到达各个处理中心,一堆服务器将开始运转,整合八个观测站带有时间戳的电波信号。比较和整合无线电波时必须尤其小心,确保在整合时不会遗失事件视界大小、结构的关键信息。


整合无线电波的技术在射电天文学中非常常见,被称为甚长基线干涉测量法(very long baseline interferometry)。但在通常情况下,望远镜并没有这么多,也不会分散在如此广阔的地区。


杜勒曼说:“我们正在努力让地球大小的网络连贯一致,哪怕就是想想也是不可思议的。”


紫红色斑点是螺旋星系旋臂中较小黑洞发射的明亮X射线(图源:NASA,JPL-Caltech,DSS)


天文学家希望在整合所有信号之后,最终能看到一个围绕在黑暗圆圈周围的光环——黑洞的影子。新月形的光来自发光的气体,这些气体被加热到数千亿度。光环就在黑洞外围,让事件视界的区域一目了然。


法尔克说,在一些电脑模拟结果中,光环的一边可能比另一边更亮更厚,就好像“一颗长得不够好看的花生,不能赢得任何花生选美大赛”。


即使这次的观测无法生成黑洞的影像,杜勒曼和同事们也已经计划明年再试一次,构建一个更大的射电望远镜网络。


法尔克说:“在接下来的十到五十年时间里,我们要将望远镜网络扩展到非洲,最终进入太空,我们要得到非常清晰的影像。”


吞噬一切的庞然大物


虽然黑洞的名字意味着一无所有,但它实际上是宇宙中密度最大的物体,它们有巨大的引力。大质量恒星核心重力塌缩形成恒星黑洞,可以把十个太阳压缩成一个纽约城的大小。位于星系中心的超大质量黑洞相当于数十亿个太阳。黑洞的起源仍然是一个未解之谜。


人马座A *(图源:Jason Treat和Alexander Stegmaier,NGM工作人员;图片处理Mark A. Garlick)


1974年,科学家发现了一个非常紧密的无线电波波源。它来自人马座的一个区域,距离地球26,000光年,被称为人马座A *(Sgr A *)。现在已知这个波源是位于我们星系中心的一个超大质量黑洞,质量超过400万个太阳。


1.奇点(The Singularity):根据爱因斯坦的方程,在黑洞的中心,恒星的整体质量已经塌陷成一个无限密集、无尺寸的点。这就是奇点。奇点可能并不存在,但它其实是我们对重力的理解中一个数学意义上的洞。


2.事件视界(Event Horizon):事件视界围绕人马座A *延伸的距离约800万英里,在这一边界之外,即便是光也无法逃脱黑洞的重力。


3.静态极限(Static Limit):黑洞旋转可以扭曲空间,让附近在轨道上运转的物体加速或减速。静态极限是指轨道上的物体以光速运转,方向与黑洞旋转的方向相反,物体保持相对静止。


4.吸积盘(Accretion Disk):过热气体和尘埃可能在人马座A *周围以近乎光的速度旋转。吸积盘发射热量、无线电噪声和X射线耀斑,但这个吸积盘和其他星系中的吸积盘相比要更加温和。


5. X射线喷射(X-Ray Jets):虽然今天的人马座A *看起来一片平静,但在两万年前它可能吞噬了质量是太阳一百倍的一颗恒星或星云。这次吞噬让黑洞的两极向外喷射出X射线,这些射线与星系的平面成15度角。


两星系相撞,扫过超大质量黑洞的爆发,照亮了多个波长(图源:NASA,CXC,SAO,R.van Weeren等人)


哈勃太空望远镜捕捉到的,从星系中心的超大质量黑洞中喷出的高速粒子喷射流(图源:NASA,ESA,STSCI)


NASA望远镜从目前观测到的最强大的超大质量黑洞之一附近捕获了X射线,这个黑洞距离地球约39亿光年(图源:NASA,CXC,Stanford,J.Hlavacek-Larrondo等人)



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