上世纪初天体物理,爱因斯坦提出的相对论预言了黑洞的存在;1970年,人类发觉了第一个黑洞;明天,我们总算要首次见到黑洞的真容。
由全球30多家研究所200多名科学家组成的研究团队,在过去五年的时间里通过各地天文望远镜组成的“望远镜网路”,搜集并整合了黑洞图象的数据。
明天21时,“事件视界望远镜”项目将在全球多个城市同步直播全球新闻发布会,公开人类天文史上的首张黑洞相片——其中就包括在中国北京,中国科大学将与该研究项目共同发表这一重大成果。
在兴奋人心的时刻到来之前,记者专访了两位天体化学专家:山东工业学院天体化学研究所朱涛院士和四川学院化学学系肖婷助理研究员,科普围观这一重磅发觉所需的基本知识。
黑洞是哪些?
黑洞是广义相对论所预言的一种致密天体。它通常是由大质量的星体所产生。它有一个表面,也就是一般所说的界面。任何物质步入到了这个界面包括光,就会遭到黑洞引力的影响而未能逃脱。
肖婷介绍,天文学家将宇宙中的黑洞分成三类。星体级质量黑洞,是数倍、几十倍或上百倍太阳质量的黑洞。超大质量黑洞,常常坐落星体中心,达几百万个太阳质量。介于前二者之间的是中等质量黑洞。
首张黑洞相片描绘的对象,都是坐落星体中心的超大质量黑洞,一是银河系中心的超大质量黑洞,坐落人马座,质量约400万个太阳质量。二是M87星体中心的超大质量黑洞,质量约为60亿个太阳质量。
我们怎么晓得黑洞存在?
在此次照相前,天文学家们通过各类间接证据表明了黑洞的存在,主要有三类代表性证据。
第一,星体、气体的运动透漏了黑洞的踪迹。肖婷解释说,黑洞有强引力,对周围的星体、气感受形成影响。例如观测银河系中心一些星体的轨迹,可以发觉一些显著的偏转,和理论估算中黑洞带来的影响完美符合,这就证明了黑洞的存在。
第二,按照黑洞吸积物质(吃东西)发出的光来判定黑洞的存在。
第三,通过看见黑洞成长的过程“看”见黑洞。
我们此前如何给黑洞画写生?
多年来,天文学家只是基于化学学定理和基本假定,用计算机模拟黑洞的真容。1978年,借助笔记本模拟形成的数据,天体化学学家让-皮埃尔·卢米涅(Jean-)用铅笔和美国墨水勾画了第一幅模拟黑洞图象。黑白的图象诠释了落入黑洞的扁平物质,它看上去并不平坦,由于黑洞强悍的引力,使周围的光发生弯曲。
40年来,科学家也已看见了黑洞的一些边沿证据,例如物质落入黑洞时,会因磨擦和引力作用产生一个巨大的高烧吸积盘,如同是抽水便器放水时形成的漩涡。
此次我们如何给黑洞拍照?
朱涛说,黑洞的引力特别强,当它把周围的物体吸引到自己的身边,都会产生一个吸积盘。在吸积盘内的物质被吸入到黑洞的过程中,引力势能会降低,转化成大量的、非常明亮的光和幅射。其能量的转化效率比月球上已知的任何能量转换效率都要高。“这次风波视界望远镜对黑洞的观测,虽然主要就是观测黑洞吸收周围物质所发出的那些幅射。”
风波视界望远镜(EHT)是哪些?

朱涛介绍,科学家借助全球的8个射电望远镜组成了一个巨大的观测阵列,称为风波视界望远镜。一般望远镜的区分能力和望远镜的口径大小成反比,口径越大,区分能力越强。借助“甚长基线干涉技术”(VLBI),风波视界望远镜构成了一个口径堪与月球半径比拟的虚拟望远镜,因而具有特别高的辨别能力,还能实现对黑洞视界面附近区域的直接观测。
给黑洞拍照为何如此难?
要保证所有8个望远镜都能看见这两个黑洞,留给科学家们的观测窗口期特别短暂,每年只有大概10天时间。
对于这次跨越南北半球的风波视界望远镜观测,因其所涉及的站点区域特别宽广,所形成的数据量将非常庞大。风波视界望远镜每一个夜晚所形成数据量可达2PB(),没有办法通过互联网进行传输。
在观测结束以后,各个站点搜集的数据,被汇集到两个数据中心——位于法国麻省的天文台和美国克拉科夫的马普射电所。在哪里,小型计算机集群将会对数据时间进行合并与剖析,进而形成一个单一的关于黑洞的图象。
首张黑洞照意义何在?
在朱涛看来,正式发布的黑洞相片科学上的重要意义主要在于三点。
第一,检验广义相对论在强引力场情况下的正确性。即使广义相对论目前早已得到了大量实验和观测的检验,并且这种检验大多数是在弱引力场的情况下进行的。而此次的观测可以帮助人们了解引力在强引力场下的行为。
按照广义相对论,此次拍摄的黑洞阴影部份的形状应当是类似于一个小写的D。并且,还有好多其他的理论还预言了好多不同的形状。为此,此次的观测还可以拿来检验、限制、甚至排除那些不同的理论预言。
第二,目前觉得,几乎所有的星体中心都有一个超大质量黑洞天体物理,此次的发布除了将否认这一假说,同时还将首次否认超大质量黑洞的真实存在。
第三,此次的观测目标星体之一M87星体是一个巨大的椭圆星体,坐落处女座,和银河系中心黑洞不同的是,它的中心有一个宽度为5000光年的巨大的喷流。关于这些喷流怎样产生,目前还没有定论。因而此次的观测将有助于人们进一步研究吸积盘和喷流产生的缘由,并帮助科学家逐渐阐明星体产生和演变过程。
科学家还觉得,黑洞相片只是一个开始,未来EHT都会给人类带来更多前所未有的科学成果。
