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【中国那些事儿】为揭开黑洞神秘面纱 中国科学家做了这些贡献

2019-04-10 20:51:42  来源:中国日报  责任编辑:蔡秀明 蔡秀明  

中国日报网4月10日电 北京时间今晚21时,一场全球新闻发布会将在中国上海和台北、美国华盛顿、日本东京、比利时布鲁塞尔和智利圣地亚哥同时召开。发布会上,有一张全球200多位科学家们用八个望远镜(阵)合力拍摄、并“冲洗”了两年的神秘照片将与公众见面。

这张照片将是人类有史以来获得的第一张黑洞照片。

科学家要如何“抓拍”到黑洞?

黑洞是一种体积极小、质量极大的天体,具有非常强的引力,在它周围的一定区域内,连光也无法逃逸出去,这个边界称为“事件视界”。那么,科学家们要如何拍到连光都会吞噬掉的“黑洞”呢?

香港大学太空研究实验室执行主任、曾获得过高能天体物理学最高奖之一“布鲁诺·罗西奖”(Bruno Rossi Prize)的苏萌教授在接受本网专访时是这样解读黑洞的“黑”的。

他说,一方面,你可以说黑洞本身是很黑的,完全看不见,但是周围的物质在进入黑洞里面的一瞬间是非常亮的,也就是变成黑洞的那一瞬间其实是最亮的,所以我们现在要拍的是周围物质掉进去那一瞬间的照片。我们现在估计银河系里面有几亿个、几十亿个甚至更多的黑洞,但是真正被观测看到的,大概也就几十个。

新华社报道称,全球科学家们实际上尝试观测的就是黑洞的“事件视界”。 2017年的4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划,利用分布于全球不同地区的八个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,让人类第一次看到黑洞的视界面。这个虚拟的望远镜网络被称为“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope, EHT),其有效口径尺寸将达到地球直径大小。

照片为什么“冲洗”了两年

自2017年4月 EHT启动拍照,至今已经约有两年的时间了。为什么“黑洞”这张照片用了这么久才“冲洗”出来?

苏萌教授称,给“黑洞”拍照不像是手机拍照那样,立刻就能呈现出来,它是大量的海量数据,还有很多个步骤。然后一步一步地把这个数据从巨大的一个体量最后变成了照片,让有用的信息一直保持下去,而把没有用的信息剔除掉。还要把大家做的信息统筹起来,所以是这样一个过程,其实两年时间并不算长。

这张神秘照片的意义何在?

黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。100年来,黑洞理论的研究一直是理论物理中的前沿课题。

苏萌教授指出,对于黑洞,科学家们一直没能在天体物理真实世界里给出一个确切的观测。人们只能说看到这样或那样的信号,如果这些信号不是黑洞的话很难(用其他理论)去解释;但这毕竟还是一个间接的概念。看到直接证据才算看到了黑洞。此次发布的这项成果,应该就是对物质掉进黑洞的那个阶段的观测。就是完成了一个成像的过程,我认为可以把这个称为直接的观测,所以它对以后对黑洞本身的研究、对黑洞天体物理学的发展,以及对世界和宇宙的观测都具有更深刻的价值。

中国科学家做出了重要贡献

香港《南华早报》报道称,目前尚不清楚参与此次EHT项目的200多名研究人员中有多少来自中国,但中国的天文学家为EHT项目做出了重要贡献是不争事实。北京大学物理学院天文系主任吴学兵教授说,他所在的天文系就参与了此次项目。

报道进一步指出,中国科学家在资金支持,计算机建模和数据分析方面都做出了贡献。 EHT阵列的观测只持续了几个小时,但研究人员花了将近一年的时间才将碎片图像合并成一张完整可信的图片。

“处理的数据量非常大。对于任何一个国家来说,这都是一项不可能单独完成的任务,需要全球合作才能完成。“吴教授说。

苏萌教授称,天文学本身就是一个特别重视国际合作的学科,它的许多成果都是不同文化背景下的众多国家、团队、高校为了一个科学目标而一起长时间努力而获得的。比如,一些天文学的项目,往往几百人是一个很正常的规模。所以在EHT这个项目里面,也是很多国家高校的研究机构团队参与进去,包括中国的科研机构和科学家,比如中国科学院上海天文台便参与了此次国际合作。

苏萌教授进一步指出,现在,在全球重大的天文学发现中,已经有越来越多中国团队的身影,中国科学家参与到大型的国际合作中,并做出了相应的贡献。例如,中国在射电干涉方向已经积累了相当多的人才。尤其是在正在推进的国际大科学工程——平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array, SKA)计划中,中国的贡献率大幅提升。在很多方面中国技术起了核心的作用。SKA是当前国际射电天文界的最重要的大型望远镜项目,是人类有史以来建造的最庞大的天文设备,将开辟人类认识宇宙的又一新纪元。

这些年,中国科学家还为“揭黑”做了这些事儿

2019年1月,中国科学技术大学天文学系教授王挺贵和刘桂琳课题组在国际顶级科学期刊《自然》子期刊《自然-天文学》发表研究成果,他们利用光谱吸收线光变,首次得到了超大质量黑洞所驱动高速气体的物理性质分布,证明高速外流气体有足够的能量影响星系演化。

超大质量黑洞产生的强大辐射可以将其周围气体电离,并吹向星际空间形成高速外流,对其所在星系造成影响。但受目前观测能力限制,人们对外流高速气体的物理性质及其对星系演化的具体影响了解甚少。

中国科学技术大学天文学系教授王挺贵小组与中国极地研究中心、安徽师范大学的学者合作,在距离地球几千万光年外的NGC 3319星系中心发现了疑似“中等大小”的黑洞。2018年12月,国际天体物理领域权威学术杂志《天体物理期刊》刊登了该发现。

目前人类已知的黑洞可分为两大类,一类质量在几倍到几十倍太阳质量之间,另一类质量在几百万到几十亿倍太阳质量之间。两类黑洞的质量大小极为悬殊,但科学界一直没找到质量介于其间的“中等大小”黑洞,这也是天体物理研究中的一个谜团。

“中等大小”黑洞被认为可能是超大质量黑洞的“种子”,学者们的这次研究与发现,对于理解超大质量黑洞的形成与增长之谜有重要启示。

2015年1月,英国《自然》杂志公布一项最新研究成果,以中国天文学家为主的科研团队发现了一颗430万亿倍太阳光度、中心黑洞质量约为120亿个太阳质量的超亮类星体。据悉,这是人类目前已观测到的遥远宇宙中发光最亮、中心黑洞质量最大的类星体。

科研团队负责人、北京大学物理学院天文学系教授吴学兵介绍,根据已观测到的光谱数据,这颗新发现的类星体,光度是太阳光度的430万亿倍,距离地球128亿光年,比目前已知距离地球最远130亿光年的类星体还亮7倍,其中心黑洞质量约为120亿个太阳质量,是目前已知的遥远宇宙中星体中光度最高、黑洞质量最大的类星体。

这颗超亮类星体是中国天文学家于2013年底利用云南丽江2.4米口径的望远镜首先发现,随后又联合国外天文学家,利用美国、智利的多台大口径望远镜进行后续观测并最终得到确认的。

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