北京時間4月10日晚上21:00，人類史上第一張黑洞照片揭開了神秘面紗。
包括中國在內(nèi)，全球多地天文學(xué)家同步公布首張黑洞真容。這一由200多名科研人員歷時10余年、從四大洲8個觀測點“捕獲”的視覺證據(jù)，有望證實愛因斯坦廣義相對論在極端條件下仍然成立。
01、什么是黑洞
理論上，黑洞是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言存在的一種天體。它具有的超強(qiáng)引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍，該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。
黑洞(Black hole)這個名詞，是1968年由美國天文學(xué)家惠勒在一個報告里面提出的。
但有關(guān)黑洞的概念，早就有科學(xué)家通過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出來了。
比如，1796年法國科學(xué)家拉普拉斯就在著作里寫了一段話：假如有一個恒星，密度跟地球一樣，而直徑比太陽大250倍，那么它表面的逃逸速度將超過光的傳播速度。恒星本來應(yīng)該是發(fā)光的，但是從遠(yuǎn)方看這個恒星，它卻是絕對黑暗的，你不可能看到它。
關(guān)于黑洞，法國天文學(xué)家盧米涅也說過一段話，他說：“黑洞是恒星死亡后的一種殘骸，它是引力收縮的極點，極端到近乎荒唐(指它的一些性質(zhì)用現(xiàn)有的物理學(xué)知識無法解釋)。但它又是宇宙當(dāng)中最精美的天體。了解黑洞并深感困惑之后，會使我們進(jìn)入一個展示時間、空間、光和物質(zhì)深刻本質(zhì)的更加深邃的新視野。”
宇宙中，根據(jù)質(zhì)量天文學(xué)家們將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級質(zhì)量黑洞(幾十倍至上百倍太陽質(zhì)量)、超大質(zhì)量黑洞(幾百萬倍太陽質(zhì)量以上)和中等質(zhì)量黑洞(介于兩者之間)。
02、人類首次“看見”黑洞
這是人類第一次凝視曾經(jīng)只存在于理論中的天體——黑洞，一種體積極小、質(zhì)量極大的天體，如同一個宇宙“吞噬之口”，連光也無法逃逸。
露出真容的黑洞，位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質(zhì)量約為太陽的65億倍。它的核心區(qū)域存在一個陰影，周圍環(huán)繞一個新月狀光環(huán)。
百余年前，愛因斯坦的廣義相對論率先對黑洞作出預(yù)言，從此成為許多科幻電影的靈感源泉?？茖W(xué)家陸續(xù)通過一些間接證據(jù)證實了黑洞的存在，但人類始終沒有真正“看到”過黑洞。
質(zhì)量極其巨大的黑洞，是宇宙中的神秘存在。這次通過分布全球的觀測點組成一個口徑如地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡——黑洞事件視界望遠(yuǎn)鏡，順利實現(xiàn)在1.3毫米波長的觀測，并經(jīng)過長期的數(shù)據(jù)分析，成功“捕獲”黑洞的影像。
由于需要極高的靈敏度，組成全球網(wǎng)絡(luò)的8個射電望遠(yuǎn)鏡分布在多個高海拔地區(qū)，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點等。
“這些望遠(yuǎn)鏡的分辨率相當(dāng)于能在黑龍江漠河閱讀南沙群島上的一張報紙。”中方科學(xué)家、上海天文臺研究員路如森說。
“看”得遠(yuǎn)、“看”得清仍然不夠，給黑洞拍照還要“看”得準(zhǔn)。“觀看電視節(jié)目要選對頻道，黑洞影像也必須在合適的波段才能觀測?！甭啡缟f，最佳波段在1毫米附近，這一波段的黑洞光環(huán)最明亮，而背景“噪音”又最小。
03、什么是“事件視界望遠(yuǎn)鏡”
人類根本看不到黑洞，那又是怎么知道黑洞是真實存在的呢？
鑒于黑洞自身不發(fā)光，還會“吞噬”光，很難直接探測，科學(xué)家們只能采用一些間接方式來探測黑洞——比如觀察吸積盤和噴流。
電影《星際穿越》中的黑洞，周圍的亮環(huán)是由氣體構(gòu)成的吸積盤
1978年，法國天文學(xué)家盧米涅給出了黑洞事件視界的第一幅圖像。但這不是一張真正的照片，而是他利用自己的數(shù)學(xué)知識和相關(guān)技術(shù)以及60年代的一臺IBM 7040穿孔卡片計算機(jī)對黑洞景象進(jìn)行的電腦模擬。
利用電腦模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，盧米涅用鋼筆和印度墨水在底片上描繪黑洞，整個過程就像是一臺人體打印機(jī)。這幅模糊的圖像展示了觀察者靠得足夠近時看到的一個扁平盤內(nèi)物質(zhì)墜入黑洞的景象。
2017年4月5日，由位于南極、智利、墨西哥、美國夏威夷、美國亞利桑那州、西班牙的8臺亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡同時對黑洞展開觀測，利用甚長基線干涉測量技術(shù)(VLBI)將這8臺望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建成一個口徑等同于地球直徑的超級“虛擬”望遠(yuǎn)鏡——事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）。
位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(ALMA)望遠(yuǎn)鏡(圖片來源：ALMA官方網(wǎng)站)
此前，該項目宣布，用這一虛擬望遠(yuǎn)鏡“拍照”的重點對象是兩個黑洞，一個是位于銀河系中心的“人馬座α”，另一個位于代號為M87的超巨橢圓星系中心。
據(jù)介紹，黑洞照片的“沖洗”用了約兩年時間。
04、照片為什么“沖洗”了兩年
自2017年4月 EHT啟動拍照，至今已經(jīng)約有兩年的時間了。為什么“黑洞”這張照片用了這么久才“沖洗”出來？
香港大學(xué)太空研究實驗室執(zhí)行主任蘇萌教授在接受中國日報采訪時表示，給“黑洞”拍照不像是手機(jī)拍照那樣，立刻就能呈現(xiàn)出來，它是大量的海量數(shù)據(jù)，還有很多個步驟。然后一步一步地把這個數(shù)據(jù)從巨大的一個體量最后變成了照片，讓有用的信息一直保持下去，而把沒有用的信息剔除掉。還要把大家做的信息統(tǒng)籌起來，所以是這樣一個過程，其實兩年時間并不算長。
05、為什么照片看不清？
昨天，就有不少媒體表示：黑洞的照片可能看不清！
據(jù)科普中國解釋，首先，黑洞自身是不發(fā)光的，我們看到的發(fā)光實際都來自于事件視界外面的物質(zhì)，并不來自于黑洞本身，但黑洞的存在會在照片上留下“陰影”。其次，由于黑洞強(qiáng)引力導(dǎo)致的相對論效應(yīng)，如光線彎曲、引力紅移等，會導(dǎo)致黑洞周圍物質(zhì)發(fā)光的不對稱和扭曲。
此外，事件視界外面的“環(huán)境”并不完全干凈，塵埃、氣體、磁場、噴流等因素都會對事件視界外物質(zhì)的發(fā)光產(chǎn)生影響。
而且，事件視界望遠(yuǎn)鏡的分辨率畢竟還是有限的，圖像的測量和重構(gòu)過程也很復(fù)雜！
06、中國科學(xué)家做出了重要貢獻(xiàn)
中科院上海天文臺介紹說，參與本次黑洞拍照的EHT大型國際合作項目的全球200多位科學(xué)家中，來自中國大陸的學(xué)者有16人，包括中科院上海天文臺8人、云南天文臺1人、高能物理研究所1人、南京大學(xué)2人、北京大學(xué)2人、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)1人、華中科技大學(xué)1人。另外，還有部分來自中國臺灣地區(qū)的學(xué)者。
據(jù)香港《南華早報》報道，中國科學(xué)家在資金支持，計算機(jī)建模和數(shù)據(jù)分析方面都做出了貢獻(xiàn)。 EHT陣列的觀測只持續(xù)了幾個小時，但研究人員花了將近一年的時間才將碎片圖像合并成一張完整可信的圖片。
“處理的數(shù)據(jù)量非常大。對于任何一個國家來說，這都是一項不可能單獨完成的任務(wù)，需要全球合作才能完成?！氨本┐髮W(xué)物理學(xué)院天文系主任吳學(xué)兵教授說道。
香港大學(xué)太空研究實驗室執(zhí)行主任蘇萌教授稱，天文學(xué)本身就是一個特別重視國際合作的學(xué)科，它的許多成果都是不同文化背景下的眾多國家、團(tuán)隊、高校為了一個科學(xué)目標(biāo)而一起長時間努力而獲得的。比如，一些天文學(xué)的項目，往往幾百人是一個很正常的規(guī)模。
所以在EHT這個項目里面，也是很多國家高校的研究機(jī)構(gòu)團(tuán)隊參與進(jìn)去，包括中國的科研機(jī)構(gòu)和科學(xué)家，比如中國科學(xué)院上海天文臺便參與了此次國際合作。
來源｜綜合新華社、中國新聞網(wǎng)、中國日報、央視新聞、科普中國、網(wǎng)絡(luò)
