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“甜甜圈”版黑洞照片,是爱因斯坦埋下的“彩蛋”

2019-04-12 10:50:25 孙正凡 来源:新京报  责任编辑:孙劲贞   我来说两句

【“有图有真相”,黑洞照片的发布,为科学家进一步研究其“吞噬机制”提供了直接素材。】

北京时间10日晚9时许,包括中国在内,全球多地同步公布了黑洞“真容”。该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环。网友惊叹——分明是个“甜甜圈”。

照片上的黑洞,略显“萌态”。但实际上,它是只不折不扣的怪兽,在宇宙中游走并吞噬着一切。这次公布的黑洞照片不仅提供了黑洞存在的直接“视觉”证据,也再一次证明爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立,同时还为天文学家进一步研究黑洞吸积物质的具体机制提供了可能。

给黑洞拍张“写真”有多难

“黑洞”简单来说,就是引力大到连光都不能逃出的天体。火箭能够飞出地球,可你跳起来总会落到地面上,因为你的速度不如火箭快,总会被地球引力给拉回来。而黑洞这样的天体,引力大到能把速度最快的光都拉回到自身。黑洞的边界,叫事件视界(event horizon),这个边界以内的一切,我们都无法看见——全部都被黑洞“吃掉”了。

你可能以为黑洞就是黑的。可天文学家们发现,黑洞究竟黑不黑要看环境。如果没有什么东西可以“吃”,那些“安静黑洞”确实是黑的。如果周围有物质掉进黑洞的话,当物质进入黑洞引力场,天文学上称为吸积过程,物质会被加热到几千上万摄氏度的高温,发出明亮的X射线辐射。从这个意义上来说,这些“活跃黑洞”堪称宇宙中最明亮的天体之一。

要想直接看到黑洞,就得找不太安静,又不太活跃的黑洞。即便是符合要求的黑洞,也大多因为距离我们太遥远或者被漂浮的宇宙尘埃遮挡,而无法被直接观测到。

更重要的是,黑洞本身就不可见,黑洞形成的“事件视界”相对于宇宙来说又太小。比如太阳直径是140万千米,相当于把它压缩到6千米以内,才能成为一个黑洞。要想看到黑洞,就得找足够大的黑洞。

黑洞虽然总处于“隐身”状态,但在它周围存在的物质会释放出电磁波,这些信息逃不过射电望远镜的“眼睛”。在过去10多年时间里,麻省理工学院(MIT)的科学家们联合了其他研究机构的科研人员,开展了“事件视界望远镜”项目,旨在直接看到黑洞本身的那个黑色表面和附近物质发出的光。包括中国科学院上海天文台在内的一些国内机构也参与了此次国际合作。

他们利用分布在世界各地的8台射电望远镜,组成一台巨大的虚拟望远镜,口径相当于地球直径。这一虚拟望远镜“拍照”的重点对象是两个黑洞,一个是位于银河系中心的“人马座A*”,另一个位于代号为M87的超巨椭圆星系中心。而此次发布的照片就是后一个黑洞。从2017年4月启动拍照至今,仅“冲洗”照片就耗费了约两年时间。

爱因斯坦早已埋下彩蛋

这一次发布的黑洞照片,再一次证明了一百多年前,爱因斯坦提出的广义相对论。

爱因斯坦把时间和空间视为四维时空,把引力可视为时空结构的扭曲,从而彻底颠覆了牛顿物理学对时间和空间的认识。广义相对论发表之后求出的第一个解,其中就包含了黑洞:当一个天体的质量被压缩到足够小的范围,这些质量就能进入事件视界,连光也逃不出来,它外面就是黑的。

时隔一百年后,黑洞的照片提供了其存在的直接“视觉”证据,证明在引力场极强条件下广义相对论仍然是对的。观测结果是与理论预言一致,这是对科学理论正确性论证必不可少的一环。

这次拍摄到的黑洞的“暗影”区域(也就是亮环以内,中心以外的部分),到黑洞中心的距离,已经达到了黑洞半径也就是所谓“事件视界”半径的2.5倍。通过这张照片,能够更加仔细地研究黑洞究竟是怎样“吞噬”物质,在它的旁边又是怎样形成了吸积盘和喷流现象。

总之,一张写真照,让黑洞从“传说”变成了目之所及的现实。我们这一代人也足够幸运,能够在“家门口”第一时间见证现代科学前沿的重大进展。而在中国科学院上海天文台协调下,国内诸多科学家也实地参与了此次国际合作,成为不可或缺的“中国元素”。

□孙正凡(天体物理博士)

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