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人类历史上第二张黑洞照片问世,宇宙中的怪物,旧有理论需要重建

(不要走开,文末有彩蛋)

去年的今天,我在家里,坐在电脑前,通过直播看科学家公布人类历史上第一张黑洞照片。直到现在,我还清楚地记得自己坐在有点冷的小屋中,用不太流畅的网络观看。在观看结束后熬夜写了关于这颗黑洞和这张照片的文章,当时反响还不错。

不知不觉,1年过去了,这张照片已经1周岁了。就在前两天,科学家们公布了它的弟弟——第二张黑洞照片。那么,这一次科学家拍摄到了什么?对我们有何意义呢?咱们从头说起。

事件视界望远镜

早在2006年的时候,天文学家就开始筹备拍摄黑洞照片的工作。不过,直到2012年,第一次EHT会议才在美国亚利桑那州正式召开,EHT才算是走上正轨。经过多年的发展,已经成长为30多所来自12个国家的大学、天文观测站等研究单位与政府机构参与的国际合作组织,并且可以利用全世界8台最先进的望远镜来合作观测。

这8台望远镜的合作不仅仅产生了1*8=8的效果,而是以指数倍的形式提高观测效率,其所利用的原理,就是甚长基线干涉测量技术。关于这个技术,我们会推出一期专门的栏目来介绍,这里简单提一嘴:由于8台望远镜分布于世界各个位置,所以相当于建立了一个口径和地球直径一样的虚拟望远镜。

正是利用如此强大的观测技术,我们才得以观测到遥远的黑洞。

第一张黑洞照片

去年的今天(2019年4月10日),人类历史上第一张黑洞的照片终于问世。

这张黑洞照片,来自于距离我们约5500万光年的M87星系。通过这张照片,我们终于看到了爱因斯坦在百年前预言、人类寻找了数十年的神秘天体。

今年4月7日,EHT公布了他们合作的第二个成果,一张类星体的照片。你可能会好奇:不是说拍黑洞吗?怎么变成类星体了?别急,咱们先来了解一下这种宇宙怪物。

类星体

类星体是上个世纪被人类发现的,与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。

这种天体通常位于100亿光年以外,是宇宙中最古老的天体。类星体最大的特点就是极其活跃,它自己的亮度就可以超过一个星系。而且最初在观测的时候,科学家甚至发现它们有超光速的现象。因此,天文学家们一直对类星体非常感兴趣。

关于类星体的真正身份,科学家们一直在讨论。目前来说,大家普遍认为其核心就是一个超大质量黑洞。黑洞本身虽然不发光,但是被它吞噬的物质会被加热,放出强烈的电磁辐射,这就是黑洞的吸积盘。同时,吸积盘会产生磁场,向两侧发射出高能粒子束,这就是相对论性喷流,它是导致类星体如此明亮的重要原因。因此,本次拍摄照片选择类星体,其实也是为了研究黑洞。

类星体3C 279

本次拍摄的对象,是一个典型的类星体——3C 279。这个超大质量黑洞位于50亿光年以外,位于室女座方向,最早在1973年被发现。从质量上看,3C 279有太阳的10亿倍左右,这个数据已经相当惊人了,但是比起去年拍摄的M87还是甘拜下风。不过,在对它持续的观测中科学家发现,3C 279是宇宙中最强的伽马射线源之一,拥有极其巨大的能量,这是它被科学家选中的重要原因。

时,3C 279的相对论性喷流恰好是对准地球的。我们说过,这种天体属于一个独特的分类——耀变体。由于耀变体直接对准地球,这让我们有了更好的条件对它进行研究。因此,不论从哪个原因来看,3C 279都是不二之选。

修了三年的图

在2017年4月份,天文学家们就利用8台射电望远镜进行了四天的观测。这4天内,他们收集到了大量的数据,然后汇总到马克斯-普朗克射电天文学研究所(MPIfR)和麻省理工学院的超级计算机上,进行分析与合成。这第二张黑洞照片,一“修”就是三年(当然不仅仅是修图,还有各种分析)。拍照四天,修图三年,试问哪个女孩子做得到……

最近,EHT团队才终于写出了这篇论文,并于2020 年4月7日将研究成果发表于《天体学与天体物理学》期刊。在这篇论文上我们可以看到,论文合著者多达351位,是科学史上的一大突破和奇迹。由此可见,人类未来的科技发展,离不开全世界科学家的通力合作。

说了这么多,你肯定已经很想知道:这第二张黑洞的照片都展示了什么?它又给带来了哪些惊人的信息呢?

第二张黑洞照片

首先,咱们把第二张黑洞的照片给大家贴出来~

是的,和第一张黑洞照片一样,又是一张看起来像马赛克一样的模糊图片。不过,对于人类现有的科技来说,这已经非常难得了。如果不是EHT,你啥也看不见,只能看见像包大人一样黑的夜空。

而且,虽然图片模糊,让外行人一脸懵逼地进来,又一脸懵逼地出去。但对于天文学家来说,这里满满的都是信息量啊!

比如,通过4天的观测和对比,科学家发现3C 279的相对论性喷流快得出奇,达到了光速的99.5%。我们在此附上EHT在2017年的四天时间内拍摄到的3C 279的原始照片,方便对比。

当然了,你可能看不出来,但是下面的相对论性喷流是有距离上的变化的。根据比例尺和时间,科学家就计算出来了这股喷流的惊人速度。

原理论的崩溃

说来也蛮有趣的,第一张黑洞照片终于印证了多年以来的爱因斯坦预言,其规律也基本符合天文学家的预期。而这第二张黑洞照片,则推翻了许多原有的理论,让天文学家们认识到不得不重新对黑洞进行思考。

首先,咱们看看以往的黑洞假想图,大概是这个样子

在这里,我们把EHT拍摄的第二张黑洞照片附上,不过要把距离拉远一点来看。这张图片里只有一侧的喷流,而不是像假想图一样两侧都放进了图中。

仔细看下面的喷流,你就会发现它好像有点问题:

如果你足够细心,并且想象力比较丰富,就会看出二者的差别。根据EHT拍摄的照片显示,黑洞的相对论性喷流竟然拐弯了!

德国波恩的马克斯普朗克射电天文研究所的Jae Young Kim是带领团队参与该项目的主要负责人,他用了一个有趣的比喻来形容这个现象:这就相当于你在拆俄罗斯套娃,拆着拆着,发现最里面一个的形状竟然和其他的不一样。

还真是有那么一点怪怪的……

科学家的猜想

对此,科学家有什么解释呢?

哈佛大学和史密森大学天体物理中心(CfA)的博士后研究员Dom Pesce认为,这或许是喷射过程中的冲击和不稳定性,导致了喷流的扭曲形状。也可能,这与高能的伽马射线有关。

总之,对于这个现象,科学家也没有一个完全可靠的解释,目前也只能靠提出假说然后验证。正如Jae Young Kim所说的那样:“每次打开一扇通往宇宙的新窗口,就会发现新的东西。”

EHT合作委员会主席Anton Zensus也表示:“正如我们去年说的那样:这只是一个开始。”随着EHT项目的持续进行,科学家很可能面临更多原始理论被推翻,或者没有预想到的神秘现象突然出现的局面,正是这些意外,才让我们的科学理论能够不断地发展和进步。

遗憾的是,受到新冠肺炎疫情的影响,EHT原本计划今年3、4月份开展的新一轮观测也被迫暂停,下一次观测或许要等到明年。在今年接下来的时间里,他们将把精力放在整理以往数据的工作上。希望这一年的钻研和分析,能够解决3C 279给我们带来的谜题吧!

(彩蛋:文中提到过,科学家在观测类星体时发现过超光速现象。3C 279也不例外,天文学家本次甚至发现它的喷流达到了20倍光速。不过,科学家不认为这违背了爱因斯坦的相对论,而是由于喷射的物质正在以近光速的速度射向我们,几乎追上了它自己发射的光,所以造成了一种超过光速的错觉。)

人海茫茫,相遇不易。如果你对科学感兴趣,请别忘了关注我,我们不要走散,好吗~

相关文章:耀变体,宇宙中比黑洞还暴躁的怪兽,“枪口”对准了地球

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