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        5500万年前的黑洞£¬我看到了你

        ¡ª¡ª人类有史以来首张黑洞照片诞生的背后

        2019年04月11日09:04  来源£º光明日报
         

        这注定是一个值得记住的时刻¡£北京时间4月10日21时£¬人类有史以来捕获的首张黑洞照片公之于世£¬长久以来¡°活在传说中¡±的黑洞终于?#26376;?#30495;容¡£

        这是人类第一次真真切切地¡°看¡±到黑洞¡£这张来之不易的黑洞照片£¬揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞¡£这一黑洞距离地球5500万光年£¬质量为太阳的65亿倍¡£这一图像的捕获意味着£¬百年之前的爱因斯坦广义相?#26376;?#24471;到了首次试验验证¡£

        在比利时布鲁塞尔¡¢智利圣地亚哥¡¢中国上海和台北¡¢日本东京和美国华盛顿£¬全球六地以英语¡¢西班牙语¡¢汉语和日语四种语言同步召开全球新闻发布会£¬宣?#38469;录?#35270;界望远镜£¨EHT£©项目取得的这一重大成果¡£记者在位于上海?#31995;?#36335;的中国科学院上海天文台£¬和中国科学家们一同见证了这一激动人心的时刻¡£

        ¡°这是一项由全球200多位科研人员组成的团队完成的非凡的科研成果¡£¡±EHT项目负责人¡¢哈佛大学教授谢泼德¡¤多尔曼£¨Sheperd S. Doeleman£©说£¬¡°我们已经取得了上一代人认为不可能做到的事情¡£技术的突破¡¢世界上最好的射电天文台之间的合作¡¢创新的算法都汇聚到一起£¬打开了一个关于黑洞和事件视界的全新窗口¡£¡±

        神秘的黑洞背后有着太多秘密等待揭示£¬令一代代科学家为之着迷¡£首张黑洞照片透露了哪些信息?#21051;?#25991;学家如何费尽周折为黑洞¡°拍照?#20445;?#19968;步?#20581;?#36924;近¡±黑洞£¿这一图像的成功捕获意味着什么£¬将为全球科学研?#30475;?#26469;怎样的突破£¿

        黑洞£¬从预言走到眼前

        黑洞是一种被极度压缩的宇宙天体£¬在一个很小的区域内包含着令人难以置信的质量¡£它具有超强引力£¬即便光也无法逃脱它的势力范围¡ª¡ª这种天体的存在以极端的方式影响着周围的环境£¬让时空弯曲£¬并将周围的气体吸进来¡£在?#26031;?#31243;中£¬气体的引力能转化成热能£¬气体的?#38706;?#21464;得很高£¬会发出强烈的辐射¡£

        1915年£¬阿尔伯特¡¤爱因斯坦发表了广义相?#26376;àP?#20197;其天才的想象力预言了¡°黑洞¡±的存在¡£一年后£¬德国天文学家卡尔¡¤史瓦西发表了第一个广义相?#26376;?#26041;程的完全解£¬计算出了¡°史瓦西球体¡±的出现£¬这一版本的¡°黑洞¡±不带电荷£¬也不旋转¡£此后很长一段时间£¬科学家们尝试各种办法来验证¡°黑洞¡±是否真实存在¡£

        在此次拍照前£¬科学家们通过各种间接证据来表明黑洞的存在£º其一£¬恒星¡¢气体的运动透露了黑洞的踪迹¡£黑洞的强引力会对周围的恒星¡¢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£»其二£¬黑洞会吸积其势力范围里的一切物质£¬通过它¡°吃东西¡±发出的光来判断黑洞的存在£»其三£¬通过看到黑洞成长的过程¡°看¡±见黑洞¡£

        种种类似的证据£¬无不?#24471;?#40657;洞的真实存在¡£2015年£¬人类第一次听到了两个黑洞相互绕转合并所产生的引力波之声¡£但这些都还是间接的£¬科学家们迫切希望直接¡°看¡±到黑洞¡£这将给科学研究£¬包括理论解释带来巨大信心¡£

        中国科学院上海天文台台长沈志强研究员告诉记者£¬¡°黑洞是一个特殊的天体£¬也是一种非常简单的天体£¬要描述它无非弄清楚三个指标£º质量¡¢电荷和自转¡£¡±天文学家们将宇宙中的黑洞根据质量分成三类?#27721;?#26143;级质量黑洞£¨几十倍至上百倍太阳质量£©¡¢超大质量黑洞£¨几百万倍太阳质量以上£©和中等质量黑洞£¨介于两者之间£©¡£黑洞的势力范围£¬称作黑洞半径或事件视界£¨event horizon£©¡£

        广义相?#26376;?#39044;言£¬由于黑洞的存在£¬人们将会看到中心区域存在一个由于黑洞视界而形成的阴影£¬周围环绕一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环¡£黑洞阴影则是人类能看到的最接近黑洞本身的图像¡£

        ¡°由于黑洞的尺寸正比于它的质量£¬黑洞质量越大£¬黑洞阴影越大¡£¡±沈志强说£¬此次拍照选择的主角¡ª¡ªM87中心的黑洞质量巨大£¬又相对接近地球£¬是从地球上看过去角?#26412;?#26368;大的黑洞之一£¬也因此成为黑洞成像的一个完美目标¡£

        在天文学家捕获的首张黑洞照片中£¬黑洞?#36335;ø两?#22312;一片类似发光气体的明亮区域中¡£¡°我们预期黑洞会形成一个类似阴影的黑?#30331;?#22495;¡£这正?#21069;?#22240;斯坦广义相?#26376;?#25152;预言的£¬可我们以前?#28216;?#35265;过¡£¡±EHT科学委员会主席¡¢荷兰奈梅亨大学教授海诺¡¤法尔克£¨Heino Falcke£©解释£¬¡°这个暗影的形成£¬源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获¡£暗影揭示了黑洞这类迷人天体的很多本质£¬也使得我们能够测量M87中心黑洞的巨大质量¡£¡±

        给黑洞拍照有多难

        给黑洞拍照到底有多难£¿有人这样比方£¬¡°就像我们站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子¡£¡±

        2012年就已参与黑洞观测的中国科学院上海天文台研究员路如森说£¬这个比方一点不夸张¡£给黑洞拍照有几大难点£º首先是选择合适的拍照对象£¬然后要共同合作组成一个超?#27934;?#26395;远镜£¬还必须在合适的观测波段¡ª¡ª毫米波¡£¡°观看电视节目必须选对频道£¬对黑洞成像而言£¬在合适的波段进行观测至关重要¡£¡±他告诉记者£¬这对设备精度和灵敏度的要求极高£¬同时需要¡°天时地利¡±的配合¡£去年4月间的全球观测恰逢历史上最好的天气£¬取得的数据非常理想¡£

        用什么样的¡°相机¡±才能实现给黑洞拍照的宏大计划£¿这一次的阵容堪称¡°地球级别¡±¡£全球科学界将分布在世界各地的8个射电望远镜£¨阵£©¡°组合¡±起来£¬形成一个口径如地球大小的¡°虚拟¡±望远镜£¬所达到的灵敏度和?#30452;?#26412;领都是前所未有的¡£可以说£¬正是全球科学界同步的努力£¬让人类拍摄到有史以来首张黑洞照片¡£

        路如森告诉记者£¬创建EHT是一项艰巨的挑战£¬需要升级和连接部署8个现有的射电望远镜来组成全球网络£¬这些望远镜分布在各具挑战性的高海拔地区¡ª¡ª包括夏威夷和墨西哥的火?#20581;?#20122;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¡£科学家们在这些观测台站昼夜不停地记录¡¢?#27835;Óz?017年4月的EHT观测中每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s£¬8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据¡£如果是这么多电影的话£¬至少要几百年才能看完¡£

        这一次给黑洞拍照到底有多精确?#30475;?#21040;的?#30452;媛试?0微角秒¡£¡°相当于在巴黎的一家路边咖啡馆£¬可以读到纽约的报?#20581;£¡?#36335;如森打了这样一个比?#20581;?/p>

        虽然这些射电望远?#24471;?#26377;实际连接£¬但借助氢原?#21448;?#31934;确计时£¬各台望远镜实现了数据记录的同?#20581;?#36825;些数据被存储在高性能的充氦?#25165;?#19978;£¬随后被空运至马普射电所和麻省理工学院海斯塔克天文台£¬在那里£¬被称作相关处理机的高度专业化超?#37117;?#31639;机对各个台站数据进行处理¡£最后£¬借助合作开发的新?#22270;?#31639;工具£¬这些数据被精心处理并用来生成图像¡£

        沈志强介绍£¬此次黑洞成像采用的是1967年出现的甚长基线干涉测量£¨VLBI£©技术£¬观测波长是1.3毫米£¬并且将有望扩展到更短的0.8毫?#20303;?#20540;得一提的是£¬VLBI技术也成功应用于我国嫦娥探月工程的探测器的测定位¡£

        全球科学界合作的典范

        记者了解到£¬参与此次事件视界望远镜大型国际合作项目的科研人员达200名之多£¬其中£¬来自中国大陆的学者有16人£¬?#30452;?#26469;自上海天文台8人¡¢云南天文台1人¡¢高能物理所1人¡¢南京大学2人¡¢北京大学2人¡¢中国科学技术大学1人¡¢华中科技大学1人¡£另外£¬还有部分来自中国台湾地区的学者¡£

        ¡°在捕获首张黑洞图像的过程中£¬中国科学?#26131;?#20986;了极具国际显示度的工作¡£¡±沈志强?#38498;?#22320;说¡£他告诉记者£¬我国科学家长期关注高?#30452;?#29575;黑洞观测和黑洞物理的理论与数?#30340;?#25311;研究£¬在EHT国际合作形成之前就已开展了多方面工作¡£在此次EHT合作中£¬我国科学?#20197;?#26089;期EHT国际合作的推动¡¢EHT望远镜观测时间的申请¡¢夏威夷JCMT望远镜的观测¡¢后期的数据处理和结果理论?#27835;?#31561;方面作出了中国贡?#20303;?#27492;外£¬在2017年EHT全球联合观测的2017年3¡ª5月期间£¬上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜作为东亚VLBI网成员共同参与了密集的毫米波VLBI协同观测£¬为最终的M87黑洞成像提供了总流量的限制¡£

        ¡°我很早就与中国科学家合作研究黑洞£¬那是20年前£¬如今他们已是中国受人尊敬的科学家¡£我很高?#22235;ܺ退?#20204;一起庆祝此次进展¡£在天文学¡¢射电天文学¡¢太空天体物理等领域£¬中国在这个全球项目中作出了非常重要的贡?#20303;£¡?#28023;诺¡¤法尔克说¡£

        毫无疑问£¬这一次¡°看见¡±黑洞的突破性工作是全球科学界合作的典范£¬离不开数十年观测¡¢技术和理论工作的坚持和积累£¬更离不开来自世界各地的研究人员的密切合作¡£作为多年国际合作的结果£¬EHT为科学家们提供了研究宇宙中最极端天体的新手段¡£

        参与此次观测的望远镜包括 ALMA¡¢APEX¡¢IRAM30米望远镜¡¢James Clerk Maxwell望远镜¡¢大毫米波望远镜£¨LMT£©¡¢亚毫米波阵£¨SMA£©¡¢亚毫米波望远镜£¨SMT£©和南极望远镜£¨SPT£©¡£马普射电所和麻省理工学院海斯塔克天文台的专用超?#37117;?#31639;机负责了对原始观测数据的互相关工作¡£据介绍£¬随着IRAM NOEMA天文台¡¢格陵兰望远镜和基特峰望远镜的加入£¬未来EHT的灵敏度将显著提高¡£

        黑洞就在宇宙中£¬等着人们去探究¡£黑洞会影响我们的生活吗£¿黑洞?#36864;?#25152;在的星系之间究竟有什么关系£¿¡°对M87中心黑洞的顺利成像绝不是EHT国际合作的终点£¬我们期望也相信£¬在不久的将来会有更多令人兴奋的结果¡£¡±沈志强?#28304;?#20805;满信心¡££¨颜维琦£©

        (责编£º闻佳琪(实习生)¡¢熊旭)

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