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“嘿,黑洞,我们看见你了!”

 

就在刚刚,北京时间4月10日21点,事件视界望远镜(EHT)在全球六地(上海、台北、布鲁塞尔、圣地亚哥、东京和华盛顿),共同发布了人类观测到的首张黑洞照片——室女座的椭圆星系M87中的超大质量黑洞

这个黑洞距离地球5500万光年,中心黑洞的质量是太阳的65亿倍。

今天这一刻,我们都是人类历史的见证者。

 黑洞到底是什么? 

虽然对科学家来说,黑洞有着无穷的魅力,但对普通人来说,可能很多人只听闻过黑洞的名号,却不一定能清晰地说出黑洞到底是什么?

人们对黑洞最常见的想象,是一个“黑色的洞”,那么黑洞到底是什么?

《一想到还有95%的问题留给人类,我就放心了》中提到,恒星(比如太阳就是一颗恒星)可以理解为一个不断爆炸中的热核弹,而引力让它一边爆炸一边不散架,它可以这样维持数十亿年之久。当燃料耗尽,恒星内部的压力也就不复存在,在引力的作用下,它就会坍缩成一个黑洞。

《一想到还有95%的问题留给人类,我就放心了》

[巴拿马] 豪尔赫 · 陈 & [美] 丹尼尔 · 怀特森 | 著

苟利军 张晓佳 郝小楠  | 译

2018年12月 未读 · 探索家 出品

黑洞就是这样一个恒星死亡后形成的体积极小、密度极大的天体,它引力很强,会将周围的物质吸进去,包括光也无法逃脱。

 人类是如何一步步接近黑洞的? 

事实上,人类对黑洞的探索早在18世纪就开始了,对黑洞的了解贯穿了人类科技飞速发展的近300年时间。

1796年,法国科学家拉普拉斯曾在他的《宇宙系统论》中做出一个猜想:在宇宙中有一种天体,它的引力非常强,以至于光线都无法逃脱,他把这类天体称为“封闭星体”。这就是科学家对黑洞最原始的想法。

真正对于黑洞的推导,来自爱因斯坦在1915年发表的广义相对论,在广义相对论提出几个月后,德国物理学家史瓦西推导出了广义相对论球对称引力场的严格解,还提出了物体的史瓦西半径的概念,当一颗恒星收缩到这一半径大小时,就会变成黑洞

△ NASA大天文台钱德拉、哈勃和斯皮策联合拍摄的这张图中,我们银河系中心的超大质量黑洞位于右侧的亮白色区域,图自未读 · 探索家《天体写真》

1962年,新西兰物理学家罗伊 · 克尔解决了旋转黑洞(即克尔黑洞)的引力场和时空问题。而“黑洞”这个名称,直到1967年,才由美国理论学家约翰 · 阿奇博尔德 · 惠勒第一次提出。

但以上都仅仅是理论上的研究,能证明黑洞真正存在的证据出现在1971年:天体物理学家们探测到了天鹅座X-1,这个二元系统的特征表明它是由一个黑洞和一颗巨大恒星组成的

△ 艺术家概念图中的天鹅座X-1黑洞,图自未读 · 探索家《太空飞行课》

到目前为止,人类观察到的、有精确质量测量的黑洞大约有20个,整个银河系中可能有上亿个黑洞存在。

 本次照片是如何获得的? 

虽然有多重证据证明了黑洞的存在,但人类仍旧想要直接“看”到它的真容。

还记得2015年刷屏的“引力波”,对这种两个黑洞互相绕转产生的引力波之声的成功探测,让科学界为之振奋。从那时起,科学家想要观测黑洞的野心更加强烈了。

△ 哈勃观测到的巨型椭圆星系M87的核心,天文学家们发现了明显是从其核心发射出来的巨大喷流的新细节,这些观测结果被解释为超大质量黑洞存在的确定性证据,图自未读 · 探索家《太空之眼》

2006年,由麻省理工学院联合了30多个研究所的科学家,组建起了一个“EHT项目”。终于在2017年4月,他们对黑洞进行了一场充满雄心壮志的观测。今天我们看到的“照片”,就是这次观测的成果

科学家们把8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,它们分布在地球的不同地点,北到西班牙,南到南极,同时对黑洞的视界面展开观测。

△ 8个望远镜分布示意图

今天新闻里一直说的“EHT”,就是这个虚拟的望远镜网络,它又被称为“事件视界望远镜”,缩写为EHT(Event Horizon Telescope)。

EHT的主要观测对象有两个,分别是位于银河系中的超级黑洞Sgr A*和位于室女座的椭圆星系M87中的巨大黑洞

虽然这8个射电望远镜阵列花费高昂,且观测阵仗极大,但今天的照片仍旧不是我们理解的“实时拍摄”到的

△ “事件视界望远镜”的主要观测站,位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)/Wikipedia

EHT的观测,是通过收集到大量关于黑洞的数据信息,再把每个观测点的数据汇集到数据中心由科学家们进行分析比较,最终形成了这张图像

可以想到,EHT收集的信息量必然十分庞大,所以这次“冲洗”照片足足进行了两年之久。这也解释了为什么2017年观测到的“黑洞真容”,要等到今天才公布。

 我们是怎么找到黑洞的?

可能你会觉得奇怪,黑洞的照片怎么会被拍到呢?众所周知,眼睛得接收物体反射的光才能看见它们的样子。而黑洞不会放过任何一缕试图逃逸的光,所以黑洞注定无法被看到,隐匿于茫茫宇宙中。那天文学家是怎么确定这就是黑洞的呢?

其实,在《给好奇者的暗黑物理学》一书中有提到,在光线和物质都无法逃逸的区域外有一个球形的表面,这个表面就是黑洞的边界,也就是黑洞的“事件视界”

《给好奇者的暗黑物理学》

[法] 罗兰 · 勒乌克 & [法] 文森特 · 博滕斯 丨著

张芳 丨 译

2018-9 未读 · 探索家

在某些时候,恒星量级(从3个太阳质量到100个太阳质量大小)的黑洞会存在于一个恒星周围,将恒星的气体“吸”到自己身边,在事件界面上产生一个围绕黑洞旋转的气体盘,即吸积盘。

当吸积气体过多,一部分气体在掉入黑洞视界面之前,会像飞速旋转的转盘上的水一样,被沿着转动方向抛射出去,形成喷流。

吸积盘和喷流两种现象中的气体,都会因摩擦而发出耀眼的光亮,所以很容易被科学家探测到,黑洞的藏身之处也就因此暴露了

 如果我们在黑洞视界,会有怎样的感受? 

在很多人看来,黑洞仿佛是一个可以吞噬一切的宇宙怪物,其实并非如此,只有在黑洞视界这个界面附近,才会出现黑洞特有的时空变形。所以当你身处黑洞视界时,你会感受到一种对脚和头的奇怪而强烈的拉伸感

在经典物理学中,重力的强度取决于物体之间的距离,就像地球上靠近月亮的地方会比较远的区域更容易受到月亮的吸引,从而形成海水的潮起潮落一样,我们的脚因为比我们的头更接近地球的中心,所以受地球的吸引也就更强,而两者之间的引力差就会形成一个拉伸的力量。但因为在地球表面,这个力的强度非常微弱,不到你体重的百万分之一,所以千万别指望你会因此变高。

但在黑洞视界附近时,这种差异就很明显了,如果面对的是一个质量为10个太阳质量的黑洞的话,你感受到的牵引力就好像是你被吊起来,而整个巴黎地区的人都挂在你的脚踝上一样

关于太空知识,你还可以读:

《太空之眼:哈勃望远镜25年太空探索全纪录》

大卫 · 德沃金 & 罗伯特 · 史密斯 丨 著

孙正凡 丨 译

2016-11 未读 · 探索家

《天体写真: 高清天文摄影之美》

[英] 罗德里 · 埃文斯 丨 著

孙正凡 丨 译

2017-10 未读 · 探索家

《给忙碌者的天体物理学》

尼尔 · 德格拉斯 · 泰森 丨 著

孙正凡 丨 译

2018-6 未读 · 探索家

 互动话题 

你想对黑洞说些什么?

🌗

编辑 = 镜子、Cellur

图片来源 = 网络、 GIPHY

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