首张黑洞照片问世!一文扫光你心中所有的困惑
北京时间4月10日21点整,天文学家召开全球新闻发布会,宣布首次直接拍摄到黑洞的照片。
这张照片来之不易,为了得到这张照片,天文学家动用了遍布全球的8个毫米/亚毫米波射电望远镜,组成了一个所谓的“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope,缩写EHT)。
从2017年4月5日起,这8座射电望远镜连续进行了数天的联合观测,随后又经过2年的数据分析才让我们一睹黑洞的真容。
这颗黑洞位于代号为M87的星系当中,距离地球5300万光年之遥,质量相当于60亿颗太阳。
为什么能给不发光的黑洞拍照?
黑洞给人印象最深刻的印象就是吞噬一切,甚至光线。如果是孤零零的黑洞,我们真的是没办法采用电磁波手段进行拍摄了。
因此,我们拍摄到的不是黑洞本身,而是利用其边界上的物质发出的辐射勾勒出来的黑洞的轮廓,就像看皮影戏一样。
什么是黑洞的“事件视界”?
我们通常说的黑洞的大小,其实就是指黑洞视界面的大小。如果把太阳压缩成一个黑洞,其视界半径仅3公里!如果把地球压缩成黑洞,其视界半径仅9毫米!没写错,是9毫米。
什么是“事件视界望远镜”?
图注:分布在全球的8座毫米波亚毫米波射电望远镜虚拟出一个地球大小的“事件视界望远镜”
图注:坐落于智利北部阿塔卡马沙漠中的大型毫米波阵列望远镜(ALMA),是世界上该波段观测能力最强的望远镜阵列。
“事件视界望远镜”的工作原理是什么?
图注:美国的甚大天线阵(VLA)。每个天线重230吨,架设在铁轨上,可以移动。
为了突破地球尺寸的限制,俄罗斯曾经在2011年向太空发射了一架口径10米的射电望远镜(Spektr-R),与地球上的射电望远镜组成基线达35万公里的干涉阵列,用于观测银河系内以及银河系之外的射电源。
图注:VLBA由10个抛物天线构成,横跨从夏威夷到圣科洛伊克斯8000多千米的距离。
甚长基线干涉测量技术不仅在天体物理,而且在天体测量、大体测量等领域都有着广泛的应用。
为什么不采用光学望远镜进行观测?
我们知道,人眼能够看到的光线称为可见光,是电磁波谱的一部分,频率范围从430太赫兹到750太赫兹,相应的波长范围从400纳米到700纳米。
射电望远镜就是利用射电波进行观测的望远镜,射电波也是电磁波谱的一部分,频率范围从高频的300吉赫兹到低频的30赫兹,相应的波长范围从1毫米到10000公里。在自然界,从闪电到宇宙天体都会发出射电波。
由于星系中心的黑洞被厚厚的星际尘埃和气体阻挡,光学波段的望远镜无能为力,只能采用射电波段。毫米波已经是射电望远镜所用波长的下限,在电磁波谱上已经与红外线接壤。
望远镜的分辨率主要取决于两个参数,一个是所使用的波长,一个是口径的大小:口径一定,波长越短分辨率越高;波长一定,口径越大分辨率越高。
为什么选择银河系中心和M87星系中心的黑洞作为研究对象?
本次首先公布的是星系M87的照片,银河系中心的黑洞照片还在数据处理中。
图注:这是钱德拉X射线望远镜拍摄到的银河系中心区域。图中标记有“SgrA星”的地方就是大黑洞所在的位置。
图注:这是先前由计算机模拟生成的M87星系中心黑洞两种可能的样子。
图注:从M87星系中心发出的喷流,喷流的长度可达5000光年。科学研究表明,喷流是由中心旋转的大质量黑洞所驱动。
M87星系中心的黑洞处于非常活跃的状态,非常典型的一个特征是,从中心喷出近光速运动的喷流,喷流的长度可达5000光年。科学研究表明,喷流是由中心旋转的大质量黑洞所驱动。
给黑洞拍照的目的是什么?
通过对黑洞的直接观测,科学家希望能够在更强引力场环境下检验广义相对论,直接验证事件视界的存在,研究黑洞边缘上的吸积和喷流行为,以及基础的黑洞物理等。
图注:根据广义相对论模拟出的黑洞阴影(中),看起来比较圆,而其他引力理论给出了或扁(最左)或长(最右)的阴影。图中不对称性是由于黑洞旋转造成的。
当然,自从2015年人类首次直接探测到黑洞合并发出的引力波以来,已经探测到了10对黑洞和1对中子星的碰撞,这些引力波携带的信息与广义相对论符合得也很好。我们对广义相对论还是非常有信心的。
广义相对论预测,物质落入黑洞时发出的部分光子会围绕在黑洞边缘,加上引力透镜效应,会形成一个明亮的光环,勾勒出中心黑洞的轮廓,犹如黑洞的剪影。