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质量是太阳400万倍!银河系中心黑洞被拍照,还是“甜甜圈”

 姿势分子_ 2022-05-13

银河系中心,隐藏着一个质量是太阳400万倍的超级黑洞!北京时间5月12日晚,世界各国的天文学家终于给这个黑洞拍摄了照片,证实了它的存在。

作为宇宙中最诡异的天体,黑洞一直是人们最好奇的目标。然而,它叫“黑”洞不是没有原因的,因为我们确实看不见它。那么,天文学家是如何知道它存在的、又如何给它拍照呢?

首先,我们要回答一个问题:到底什么是黑洞?

黑洞,其实是通过爱因斯坦广义相对论推导出来的一种天体。这种天体拥有巨大的质量,但没有体积,所以密度无限大,并且拥有极其惊人的引力,以至于连附近的光都无法逃脱,故此被命名为黑洞。

(图片说明:爱因斯坦)

我们知道,爱因斯坦的“预言”目前还没有被推翻的,黑洞也不例外。科学家们真的在宇宙中找到了许多黑洞,并且将已经发现的黑洞分为两类。第一种叫做恒星级黑洞,质量在太阳的3-100倍之间,通过大质量恒星在超新星爆发后坍缩形成;第二种叫做超大质量黑洞,这种黑洞质量在太阳的100万倍以上,只存在于星系的核心,形成原因至今是个谜。

此外还有介于二者之间的中等质量黑洞,虽然有一点关于天文学家发现这种黑洞的消息,但我们对于它的认知仍然非常少;另一种是霍金预言的原初黑洞,形成于宇宙大爆炸初期,这个理论目前无法得到证实。

(图片说明:黑洞艺术图)

那么问题来了:既然黑洞能吞噬附近所有的光,我们还怎么给它拍照?

黑洞本身确实可以吞噬光线,但它在吞噬其他物质的时候,这些物质是发光的。被吞噬的物质不会马上进入黑洞中,而是形成一个盘状结构,“排队”等着被吞噬,这个结构叫做吸积盘。由于物质过于密集,而且旋转速度快,这些物质之间的摩擦就会发出光来。有些黑洞吞噬物质的速度非常快,因此吸积盘也非常明亮,可以证明黑洞的存在。

天文学家想要拍摄的,就是黑洞的吸积盘。吸积盘的运行规律,可以帮助天文学家了解极端宇宙环境下的天体物理学机制,更好地理解爱因斯坦等物理学家的理论。

(图片说明:黑洞吸积盘是我们了解它的关键)

除了吸积盘之外,黑洞还会从两极射出强大的等离子束。这些等离子的速度极快,甚至接近光速,因此又被称为相对论性喷流。它同样可以帮助天文学家了解黑洞周围的电磁理论机制,也是天文学家重点关注的对象。

早在2012年,世界各国的天文学家就开始讨论拍摄黑洞照片的事宜。他们的手段就是所谓的甚长基线干涉技术,也就是利用分布在世界各地的望远镜进行观测,虚拟出一个口径和地球直径一样巨大的虚拟望远镜,从而对黑洞进行成像,这台被虚拟出来的望远镜就叫做事件视界望远镜(EHT)。

(图片说明:事件视界望远镜)

每年夏天,天文学家都会进行拍摄。然而,由于数据过于庞大,每张照片的处理时间都要以年为单位来计算。北京时间2019年4月10日21时,我国的上海、台北以及世界其他5个城市的天文学家同时召开了发布会,公布了人类历史上第一张黑洞照片——

(图片说明:M87*的照片)

这个黑洞位于M87星系的中心,被称为M87*。它距离我们大约5500万光年,质量是太阳的65亿倍,绝对是宇宙中最恐怖的天体之一!

一年之后,EHT项目又公布了第二张照片,是一个名叫3C 279的类星体(黑洞的一种)的相对论性喷流——

(图片说明:3C 279照片)

2021年,EHT项目公布了第三个作品,是M87*的偏振光图像——

(图片说明:M87*的偏振图像)

实际上,在最初成立EHT项目的时候,天文学家就想拍摄银河系中心的超大质量黑洞——人马座A。毕竟它是离我们最近的超大质量黑洞,相距仅27000光年,虽然质量比M87*小得多。不过,直到昨天,我们才终于看到它的庐山真面目。

大家肯定有一个疑问,既然银河系中心的黑洞这么近,为何人类舍近求远,要先去拍摄M87*呢?

(图片说明:两个黑洞的尺寸对比)

这是因为,M87*是一个非常活跃的黑洞,它始终在疯狂地吞噬着周围的物质,因此吸积盘又大又亮,给了天文学家绝佳的拍摄机会。相比之下,人马座A*是一个非常沉寂的黑洞,平均每1000年才吞噬相当于一个太阳质量的物质,是M87*的百分之一。科学家比喻说:如果人马座A*是一个人类的重量,它100万年才只能吞噬一粒米。

因此,它的吸积盘又冷又暗,也让天文学家难以拍摄。

另外,距离并没有带来更大的问题。M87*体型巨大,其视界半径是人马座A*的1500倍以上。因此,尽管距离遥远,但看起来二者的视觉效果(视半径)其实是差不多的。如果二者被放在相同的距离下对比,可以看出M87*有多么惊人。

(图片说明:两个黑洞在地球看的视觉效果和相同距离下的尺寸对比)

另外,人马座A*周围的环境对人类也不友善,这里是银河系恒星最密集的区域,除了星光之外还有大量的电磁辐射,会干扰天文学家的观测。这里还有大量的星际尘埃,以及极其炽热的气体云,都给拍照造成了巨大的困难。不过,毕竟它离我们很近,弥补了许多困难,而且天文学家必须要了解自己星系的黑洞。

正是因为这么多原因,M87*成为了宇宙中最适合成像的黑洞,而人马座A*则紧随其后。实际上,二者的照片是同一年拍摄的,由于前面说的那么多干扰因素,研究人员多花了3年时间才“冲洗”出这张照片来。

(图片说明:混乱的银河系中心,高清大图,可以点开放大来看)

那么,天文学家这一次成功对人马座A*成像,有什么意义呢?

首先,由于不能直接观测到黑洞,很多人一直对银河系中心的真实身份有所质疑。这一次的照片和M87*保持一致,也是“甜甜圈”的样子,证明了银河系中心确实有一个巨大的黑洞。

其次,黑洞作为相对论“预言”的“产物”,也是验证爱因斯坦理论的绝佳对象,比如引力透镜效应等。

另外,人马座A*在宇宙的超大质量黑洞中,也具有自己的独特性,并且距离我们最近,这是天文学家更全面地了解这种天体的重要样本。

(图片说明:根据不同算法绘制的人马座A*图像,进行平均和叠加才能得到最后的图像)

可以说,EHT项目是当今世界最大的全球合作项目之一,包含了来自全世界80个研究所的超过300名科学家,其中17名来自中国内陆,另外还有中国台湾的科学家参与。

EHT项目最初一共有8台望远镜,现在增加到了11台。不过大家注意到,这里没有我国著名的射电望远镜“天眼”。这是正常的,因为EHT的望远镜都是亚毫米级的,而我国的FAST最短只能接收到分米级的电磁波。二者的设计初衷不同,所以FAST无法参与到EHT项目。不过我国已经有计划建设亚毫米级的射电望远镜了,未来或将参与到黑洞照片的拍摄中。

(图片说明:FAST)

未来,EHT团队还将在每年对宇宙中的黑洞进行拍摄,并且还会有更多望远镜加入进来。我们很期待,下一次的黑洞照片,会是什么样的呢?

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