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连光都无法逃脱的黑洞是怎么拍的?

来源:网络整理 编辑:河北 时间:2019-04-15

  广义相对论预言,将会看到一个近似圆形的暗影被一圈光子圆环包围,由于旋转效应,黑洞左侧更亮。

  2017年4月参加EHT观测的8个VLBI台站

  VLBI原理:多个望远镜可等效成一台孔径更大的望远镜

  如果要评选出2019年最有价值和最受期待的照片,那么非下面这张照片莫属。这是5500万光年外的大质量星系M87中心超大质量黑洞的黑洞阴影照片,也是人类拍摄的首张黑洞照片。它是黑洞存在的直接“视觉”证据,从强引力场的角度验证了爱因斯坦广义相对论。

  这张照片于2017年4月拍摄,两年后才“冲洗”出来。2019年4月10日由黑洞事件视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)合作组织协调召开全球六地联合发布。

  看不见的黑洞如何证明它存在?

  一百多年前,爱因斯坦提出广义相对论,将引力视为时空扭曲的效应。他的方程预言,一个小而重的物体能隐藏在事件视界(event horizon)之内,在视界内,其引力强大到连光都无法逃脱,这个物体就是黑洞。几乎所有的星系中心都存在黑洞,在那里它们可以成长到太阳质量的数百万或者数十亿倍。

  在这次拍照前,主要有三类代表性证据可以表明黑洞的存在:

  1. 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,可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。

  2. 根据黑洞吸积物质(科学家们把这个过程比喻成“吃东西”)发出的光来判断黑洞的存在。在黑洞强引力的作用下,周围的气体就会向黑洞下落,在距离黑洞几百到几万倍事件视界的地方形成一个发光的腰带——吸积盘。以超大质量黑洞为例,如果把黑洞的吸积盘区域比作一个黄豆,普通星系就相当于一个身高5万米的巨人,虽说黄豆般大小的活跃黑洞比巨人般的星系小千万倍,但每秒钟发出的能量却还要强很多。这种小尺寸、大能量的性质使我们推断它很可能是黑洞。

  3. 通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。激光干涉引力波天文台(LIGO)探测的五次引力波都对应了恒星级质量黑洞的并合事件,见证了更小的黑洞借助并合成长为更大黑洞的过程。这类引力波的发现,也是我们推断黑洞存在的证据之一。

  广义相对论预言,因为黑洞的存在,周围时空弯曲,气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中,引力能转化为光和热,因此气体被加热至数十亿度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,事件视界看起来就像阴影,阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。鉴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(史瓦西半径,指没有自旋的黑洞的事件视界半径。)

  给黑洞拍照不止是为了“眼见为实”

  给黑洞拍照,有三个科学意义:

  1. 对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞是具有强引力的,给黑洞拍照最主要的目的就是在强引力场下验证广义相对论,看看观测结果是否与理论预言一致。

  2. 有助于理解黑洞是如何“吃东西”的。黑洞的“暗影”区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域,这里的信息尤为关键,综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息,就能更好地重构这个物理过程。

  3. 有助于理解黑洞喷流的产生和方向。某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前,会由于磁场的作用,沿着黑洞的转动方向被喷出去。以前收集的信息多是更大尺度上的,科学家没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么。对黑洞暗影的拍摄,就能助天文学家一臂之力。

  黑洞照片应该是这样:圆形阴影+光环

  一百年前,爱因斯坦广义相对论提出后不久,便有科学家探讨了黑洞周围的光线弯曲现象。上世纪70年代,James Bardeen及Jean-Pierre Luminet等人计算出了黑洞的图像。上世纪90年代,Heino Falcke等天文学家们首次基于广义相对论下的光线追踪程序,模拟出银河系中心黑洞Sgr A*的样子,引入了黑洞“阴影”的概念。

  理论预言,受黑洞强引力场的影响,黑洞吸积或喷流产生的辐射光被黑洞弯曲,使得天空平面(与视线方向垂直的面)被黑洞“视边界”(apparent boundary)的圆环一分为二:在视边界圆环以内的光子,只要在视界面以外,就能逃离黑洞,但受到很强的引力红移效应,亮度低;而视边界圆环以外的光子,能绕着黑洞绕转多圈,积累的亮度足够高。

  从视觉上看,视边界内侧的亮度明显更弱,看起来就像一个圆形的阴影,外面包围着一个明亮的光环。故此也得名黑洞 “阴影”(black hole shadow)。这个阴影有多大呢?史瓦西黑洞的阴影直径是视界直径的5.2倍;如果黑洞转得快,阴影直径也有约4.6倍视界半径。如此看来,黑洞视边界的尺寸主要与黑洞质量有关系,而与黑洞的自转关系不大。

  后来,更多科学家针对黑洞成像开展了大量的研究,均预言黑洞阴影的存在。因此,对黑洞阴影的成像能够提供黑洞存在的直接“视觉”证据。

  八位拍写真的“摄影师”

  为了捕获第一张黑洞图像,过去的十年多时间里,麻省理工学院的天文学家们联合了其他机构的同行们,让全球八个天文台同时对银河系中心的黑洞Sgr A*和M87星系中的黑洞M87*展开亚毫米波段观测,这些望远镜统称为“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope,EHT)。

  由于EHT此次观测的波段在1.3毫米,容易受地球大气的水汽影响,因此这些亚毫米波望远镜分布在高海拔地区,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。

  参与此次观测的包括位于世界六个地点的八个台站。其中由于位置的限制,位于南极的SPT望远镜无法观测到M87*。所以参与观测M87*的望远镜实际上是七台。

  给黑洞拍写真真的太难了

  给黑洞拍照难不难?肯定难。不然我们不会到今天才拍出第一张照片。

  在这个过程中,有三座难以逾越的大山:黑洞阴影的“小”、技术要求极高的观测波段、复杂的数据处理。而面对这些难点,天文学家们发挥智慧,拿出了不少应对的妙招。

  解决黑洞阴影的“小”需要两个靠谱选择

  为了解决这个问题,需要保证两个“靠谱”——拍照模特靠谱、望远镜的实力靠谱。

  黑洞阴影实际看起来的大小主要与两个因素有关——实际的大小、黑洞到地球的距离。

  一个1米之外的乒乓球(直径40毫米)和一个百米之外的4米长杆看起来一样高。所以在望远镜拍照能力有限的情况下,想要拍摄一张好照片,一定要找一个“靠谱”的拍照模特,它的角尺寸看起来很大。

  而黑洞阴影的实际大小与黑洞的质量有关,黑洞质量越大,黑洞阴影越大;再综合距离因素,你会发现选择临近的超大质量黑洞是个明智之选。银河系中心的黑洞Sgr A*和星系M87的中心黑洞便是两个好模特。

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