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人类是怎样“看见”黑洞的

  今年的诺贝尔物理学奖再次花落天体物理学,一半授予罗杰·彭罗斯,其获奖原因是“发现黑洞形成是广义相对论的有力预测”;另一半授予根泽尔和盖兹,表彰他们“发现银河系中心有一个超大质量致密天体”。3位获奖者的工作均与黑洞有关。那么,科学家是怎样给黑洞拍照的呢?请听中科院上海天文台团委书记左文文在 “造就Talk”上的演讲。
  “看见”黑洞,一直是人类的梦想。

  在宇宙中的每一个大质量星系里,包括我们的银河系,都存在着一个超大质量的黑洞。科学家们已经通过一些间接的方法,比如观察它周围的恒星气体发出的光,或者两个黑洞因碰撞与合并产生的引力波,来确定黑洞的存在。就好像我们看不到风,但是可以看到风吹动落叶、旗帜,来判断风的存在。

  可是,我们还不满足。人类的好奇心和探索欲驱使着我们想要知道:黑洞究竟长什么样子?可不可以直接看到黑洞?这就是为什么我们要给黑洞拍一张照片。

  黑洞,它那强大的引力使得周围的气体会向中间下落。在这个过程中,周围的气体一边旋转一边向黑洞中心掉落,最后会在黑洞周围形成一个发光的腰带,我们称之为“吸积盘”。还有一些气体没有被吸进去,这些气体很可能会向外喷射出去,产生喷流。

  所以,黑洞其实并不是全黑的,在黑洞的周围,有吸积盘、喷流,这些物质都会产生光。

  在黑洞周围的一定区域内,叫作“事件视界”。黑洞视界将它的内部与我们可见的宇宙隔绝开来。在黑洞视界附近,引力非常强,以至于连光线都弯曲了,围着黑洞绕圈,进而在积累效应下形成一个亮环。光环的内侧因为显得比较暗,所以称作阴影。

  这个光环的半径有多大呢?在距离黑洞中心大约2.5倍黑洞半径的区域,会形成一个光环。所谓黑洞的半径,大家可以理解成是在黑洞周围光都无法跑出去的势力范围。

  换算成数值的话有多大呢?在我们的银河系中心,有一个相当于410万倍太阳质量的黑洞。如果是一个太阳质量的黑洞,其势力范围是3000米,那么410万个太阳质量的黑洞,势力范围就是1200万千米。用上面提到的2.5倍换算一下,就能得出这个黑洞光环的直径大概是7000多万千米。

  那么,它距离我们有多远呢?26000光年,相当于250亿亿千米。在这么远的距离,我们该如何拍到一个直径7000多万千米的光环呢?

  其实,我们人类的眼睛就是一个小型望远镜,只是我们看东西用的是可见光波段。如果我们在可见光波段去观测这个黑洞,望远镜的口径需要造到6千米那么大;如果用红外波段去观测黑洞,望远镜的口径得造到15千米。

  事实上,目前地球上最大的单口径光学和红外望远镜,口径也就10米那么大,要从10米跳跃到6000米,可不是通过努力就能实现的飞跃。地球上那么大的单个望远镜造不出来,但我们有一种技术,叫作VLBI——甚长干涉测量技术。这种技术的原理是这样的:假设地球上有4台望远镜,设在东南西北4个方向上,这时候我们共同构成的这个等效望远镜,它的等效口径相当于最远的两台望远镜之间的距离。

  通过这样的技术,我们实现了一个等效口径和地球直径相当的望远镜。全世界的科学家一起,在全球6个地点设了8个台站,构成了一个事件视界望远镜(EHT)的网络。

  科学家们对两个黑洞进行了拍照,一个是银河系的黑洞,还有一个是距离我们5500万光年之外的M87星系中心的黑洞。

  2017年,我们花了10天时间共同进行拍照,获得了海量的数据。这些数据有多大?M87星系中心的黑洞照片数据,大小有3500T。1T是1024个G,我们平常看的高清电影,最多2G。如果把所有这些数据换算成大家看的电影,从早看到晚,一个人要300年才能把这些数据看完。

  因此,我们花了近两年的时间,才完成了数据处理。2019年4月10日,这张黑洞的照片,终于发布出来了!

  在这张照片的背后,有一个很强的团队,由全世界200多名科学家组成。其中,来自中国内地的科学家有16位,他们在参与EHT合作之前,已经在黑洞的高分辨率成像和理论分析工作中有了诸多积累。

  从前期的国际合作的推动,到望远镜使用时间的申请、去4000米海拔的望远镜场地进行现场观测,再到数据的相关处理、分析及后期论文的写作,全程都有中国科学家的身影。

(原载于《解放日报》 2020-10-30 18版)

  今年的诺贝尔物理学奖再次花落天体物理学,一半授予罗杰·彭罗斯,其获奖原因是“发现黑洞形成是广义相对论的有力预测”;另一半授予根泽尔和盖兹,表彰他们“发现银河系中心有一个超大质量致密天体”。3位获奖者的工作均与黑洞有关。那么,科学家是怎样给黑洞拍照的呢?请听中科院上海天文台团委书记左文文在 “造就Talk”上的演讲。
  “看见”黑洞,一直是人类的梦想。

  在宇宙中的每一个大质量星系里,包括我们的银河系,都存在着一个超大质量的黑洞。科学家们已经通过一些间接的方法,比如观察它周围的恒星气体发出的光,或者两个黑洞因碰撞与合并产生的引力波,来确定黑洞的存在。就好像我们看不到风,但是可以看到风吹动落叶、旗帜,来判断风的存在。

  可是,我们还不满足。人类的好奇心和探索欲驱使着我们想要知道:黑洞究竟长什么样子?可不可以直接看到黑洞?这就是为什么我们要给黑洞拍一张照片。

  黑洞,它那强大的引力使得周围的气体会向中间下落。在这个过程中,周围的气体一边旋转一边向黑洞中心掉落,最后会在黑洞周围形成一个发光的腰带,我们称之为“吸积盘”。还有一些气体没有被吸进去,这些气体很可能会向外喷射出去,产生喷流。

  所以,黑洞其实并不是全黑的,在黑洞的周围,有吸积盘、喷流,这些物质都会产生光。

  在黑洞周围的一定区域内,叫作“事件视界”。黑洞视界将它的内部与我们可见的宇宙隔绝开来。在黑洞视界附近,引力非常强,以至于连光线都弯曲了,围着黑洞绕圈,进而在积累效应下形成一个亮环。光环的内侧因为显得比较暗,所以称作阴影。

  这个光环的半径有多大呢?在距离黑洞中心大约2.5倍黑洞半径的区域,会形成一个光环。所谓黑洞的半径,大家可以理解成是在黑洞周围光都无法跑出去的势力范围。

  换算成数值的话有多大呢?在我们的银河系中心,有一个相当于410万倍太阳质量的黑洞。如果是一个太阳质量的黑洞,其势力范围是3000米,那么410万个太阳质量的黑洞,势力范围就是1200万千米。用上面提到的2.5倍换算一下,就能得出这个黑洞光环的直径大概是7000多万千米。

  那么,它距离我们有多远呢?26000光年,相当于250亿亿千米。在这么远的距离,我们该如何拍到一个直径7000多万千米的光环呢?

  其实,我们人类的眼睛就是一个小型望远镜,只是我们看东西用的是可见光波段。如果我们在可见光波段去观测这个黑洞,望远镜的口径需要造到6千米那么大;如果用红外波段去观测黑洞,望远镜的口径得造到15千米。

  事实上,目前地球上最大的单口径光学和红外望远镜,口径也就10米那么大,要从10米跳跃到6000米,可不是通过努力就能实现的飞跃。地球上那么大的单个望远镜造不出来,但我们有一种技术,叫作VLBI——甚长干涉测量技术。这种技术的原理是这样的:假设地球上有4台望远镜,设在东南西北4个方向上,这时候我们共同构成的这个等效望远镜,它的等效口径相当于最远的两台望远镜之间的距离。

  通过这样的技术,我们实现了一个等效口径和地球直径相当的望远镜。全世界的科学家一起,在全球6个地点设了8个台站,构成了一个事件视界望远镜(EHT)的网络。

  科学家们对两个黑洞进行了拍照,一个是银河系的黑洞,还有一个是距离我们5500万光年之外的M87星系中心的黑洞。

  2017年,我们花了10天时间共同进行拍照,获得了海量的数据。这些数据有多大?M87星系中心的黑洞照片数据,大小有3500T。1T是1024个G,我们平常看的高清电影,最多2G。如果把所有这些数据换算成大家看的电影,从早看到晚,一个人要300年才能把这些数据看完。

  因此,我们花了近两年的时间,才完成了数据处理。2019年4月10日,这张黑洞的照片,终于发布出来了!

  在这张照片的背后,有一个很强的团队,由全世界200多名科学家组成。其中,来自中国内地的科学家有16位,他们在参与EHT合作之前,已经在黑洞的高分辨率成像和理论分析工作中有了诸多积累。

  从前期的国际合作的推动,到望远镜使用时间的申请、去4000米海拔的望远镜场地进行现场观测,再到数据的相关处理、分析及后期论文的写作,全程都有中国科学家的身影。

(原载于《解放日报》 2020-10-30 18版)

文章来源于互联网中科网:人类是怎样“看见”黑洞的 更多科普知识,欢迎关注芝麻网!

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