重量级科普:首张黑洞图像背后的故事

重量级科普:首张黑洞图像背后的故事
事件视界望远镜,一个行星尺寸的地面射电望远镜阵列,成功获得了一个超大质量黑洞及其影子的第一张图像。该图像是室女座星系团中星系M87中心的一个黑洞。
供图:EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION
 
撰文:NADIA DRAKE
 
  大约5500万光年之外,巨大的椭圆形星系M87中心,潜伏着一头“巨兽”,默默地吞噬着任何接近它的物质。恒星、行星、气体、尘埃,甚至是光线,只要经过它的事件视界,就无法逃脱这头巨兽的束缚。
 
  昨天,科学家揭开了这头巨兽的面纱,公布了它的照片:这个超大质量黑洞的质量是太阳的65亿倍。这张照片中,圆形的空洞之外,是一个不匀称的光环。这张里程碑式的图像,是世界上第一张黑洞轮廓的图像,让我们得以一窥黑洞“大胃口”的模糊边缘。


  这张图像是事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)项目所取得的非凡成就。200多位科学家,利用分布在世界各地的天文台阵列,共同参与了这张图像的观测与绘制。这些望远镜阵列结合起来,口径相当于地球的直径,自从2017年4月盯着这个黑洞开始,足以收集PB(1024TB)级别的数据。之后,科学家花了两年时间,才处理好了这张图像。
 
  此前,人类通过黑洞吸入的超热物质所发出的辐射,或黑洞喷射出来的带电粒子流,或通过观察到恒星似乎围绕着奇异的天体运转,从而获得黑洞存在的间接证据。
 
重量级科普:首张黑洞图像背后的故事

  “我们研究黑洞太久了,有时候就会忘记其实我们谁也没有见过它的样子。” 美国国家科学基金会主席France Cordova在公布这张图像的新闻发布会上说道。
 
  “今天,我们很高兴能向你们报告,我们已经看到了之前以为看不到的东西。”哈佛-史密森天体物理研究所的项目负责人Shep Doeleman说道,“你们所看到的是一个事件视界存在的证据……现在我们拥有了黑洞存在的目视证据。”
 
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夜空下的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA),ALMA是事件视界望远镜网络的重要组成部分。
摄影:BABAK TAFRESHI

 
  昨天,《天体物理学杂志快报(Astrophysical Journal Letters)》上发表的6篇论文描述了这场绝妙的观测试验、观测过程,以及该图像所揭示的诸多细节。主要看点之一在于,可以更加直接地计算黑洞的质量,因为其质量与绕它运转的恒星运动紧密相关。这些数据还隐含着一些线索,科学家可以分析出某些超大质量黑洞是如何把巨大的粒子流以接近光速的速度抛射出来的。
 
  “真的很了不起!某种程度上,甚至让人感到自身的卑微。大自然谋划了一番,让我们看到了我们以为看不见的东西。”Doeleman说到。
 
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椭圆形星系M87,是室女座星系团的主要成员之一,包含着数万亿颗恒星、一个超大质量黑洞和大约15000个球状星团。相比之下,我们的银河系只含有几千亿颗恒星和大约150个球状星团。
 
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M87的中心闪耀着一个巨大的宇宙“探照灯”:一个黑洞以接近光速的速度向外抛射亚原子粒子流。在这张哈勃望远镜拍摄的图像中,蓝色的喷流,与M87中恒星和恒星团发出的黄色光形成鲜明对比。
供图:NASA, ESA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA); ACKNOWLEDGMENT: P. COTE (HERZBERG INSTITUTE OF ASTROPHYSICS) AND E. BALTZ (STANFORD UNIVERSITY) (上图) AND PHOTOGRAPH BY NASA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA) (下图)
 
相当于拍摄月球上的橘子
 
  起初,事件视界望远镜的目的是为了给我们银河系中心的一个超大质量黑洞拍照。这个黑洞名曰人马座A*,质量只相当于400万颗太阳,与M87中心的黑洞相比简直是小巫见大巫。由于M87黑洞是最近、最大的黑洞之一,因此,该团队决定把望远镜也指向它,期望能最终把两个黑洞进行对比。
 
  观测银河系中心的黑洞,反而比观测旁边星系的黑洞更加复杂,因此,科学家才先发布了M87黑洞的图像。
 
  与单次快照不同,事件视界望远镜的图像,与哈勃太空望远镜拍摄的许多精美图像一样,也用到了干涉测量法,结合了多个望远镜的观测结果。当科学家用多架望远镜同步观测同一天体时,就可以校对观测结果,好像在用一架口径是这些望远镜彼此间距的巨型望远镜进行观测。
 
  超大质量黑洞与周围的星系相比,尺寸其实很小。为了解析出这些黑洞,研究团队需要协调世界各地的望远镜观测功率。最终,设在墨西哥、美国夏威夷、美国亚利桑那州、智利和西班牙的6个天文台把目光对准了室女座星系团中最大的星系M87。这张望远镜网络,好似一个口径相当于地球直径的望远镜,所能解析的天体,相当于哈勃望远镜所能解析的万分之一。
 
  事件视界望远镜项目成员、美国加州理工学院的Katie Bouman解释说:“我们努力观测的目标在天空中其实非常非常小,就好像你要拍摄月球上的一个橘子一样。”
 
  连续数日,该团队以短波波长观测M87,因为电波能穿透星系中心所萦绕的尘埃和气体。在此期间,该团队收集的数据量十分庞大,高达5PB(1PB=1024TB)。要传输这些数据,通过网络方式肯定不行,唯一可行方式就是把直接运输硬盘。
 
  团队成员、美国亚利桑那大学的Dan Marrone说:“5PB的数据非常大,相当于能播放5000年的MP3,或者说,根据我看过的一项研究,相当于40000人一生的自拍总和。”
 
  之后,由于把不同的观测数据相结合也并非易事,因此,4个团队运用不同的算法,用不同的数据模型进行检验,分别对数据进行处理。最终,每个团队所产生的图像十分相似,表明这些观测都很可靠,而且最终的图像也是尽可能精确的。准确地说,这次发布的图像,与该团队前几年所模拟出的图像几无二致。
 
  团队成员、荷兰阿姆斯特丹大学的Sera Markoff说:“太可怕了,几乎跟我们预测的一模一样。我总是时不时地在手机上看它。”
 
  不久之后,该团队几乎发布距我们地球最近、最亲密的超大质量黑洞的图像。不过,虽然人马座A*黑洞更近一些,你们也千万别以为它的写真会被刚刚发布的这张图像更清晰锐利。
 
  英国剑桥大学的教授及英国皇家天文学家Martin Rees爵士说:“M87的距离远2000倍左右,但它的黑洞也要大2000倍左右。它们在天空中的角大小是一样的。”
 
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美国夏威夷的冒纳凯阿(Mauna Kea)火山上林立着多个天文台,其中就包括参与事件视界望远镜2017年观测项目的詹姆斯•克拉克•麦克斯韦尔望远镜(左起第二)。
摄影:BABAK TAFRESHI
 
65亿颗闪耀的太阳
 
  现在,有了这张图像之后,科学家们可以开始探索黑洞物理学更深处的奥秘,比如确认黑洞的基础构成。
 
  Rees说:“我们很想从这些观测中知道的是,这些黑洞的性质,是否真如爱因斯坦所预测的那样?”
 
  截至目前,从某种程度上说,爱因斯坦似乎是对的。尽管这位著名的物理学家对黑洞是否真正存在一直持怀疑态度,但是,他在1915年发表的广义相对论方程的解曾预言称,如果黑洞这种超大质量的天体在宇宙中广泛存在,那么,它们应该是球形的,就像是嵌在一圈光亮中的一团黑影。
 
永远吃不饱的怪兽
 
  尽管黑洞的名字似乎暗示着虚空,但是,黑洞其实是宇宙中密度最大的天体,因为它们的引力十分强大。巨型恒星坍缩而成的恒星型黑洞,能把10个太阳的质量压缩到纽约市大小。星系中心的超大质量黑洞的质量,堪比几十亿颗太阳,它们的起源仍是未解之谜。
 
重量级科普:首张黑洞图像背后的故事
JASON TREAT AND ALEXANDER STEGMAIER, NGM STAFF. ART BY MARK A. GARLICK
SOURCES: AVERY BRODERICK, PERIMETER INSTITUTE FOR THEORETICAL PHYSICS, UNIVERSITY OF WATERLOO, CANADA; UCLA GALACTIC CENTER GROUP
 
M87
  1781年,天文学家查尔斯•梅西耶(Charles Messier)在室女座中发现了一个亮点,即梅西耶87(M87)。星系M87远在5500万光年之外,包含着几万亿颗恒星。在该星系中心,有一个非常致密的射电电波源头:质量约相当于65亿颗太阳的超大质量黑洞。
 
1.奇点
根据爱因斯坦的方程,在黑洞的中心,一个恒星的所有质量坍缩成了一个密度无限大而又没有纬度的点,名为奇点。奇点可能实际上不存在,但在我们对重力的理解中,奇点却指向了一个数学上的“洞”。
 
2.事件视界
围绕在M87黑洞周围约113亿千米范围内的视界,即为光都无法逃出黑洞引力的边界。
 
3.静态极限
黑洞的旋转会扭曲空间,使环绕在其周围的物质公转速度加快或减慢。在某些环绕轨道上,某些物体以光速相对于黑洞的旋转而运动,从而看上去像是静止状态。这一轨道即为静态极限。
 
4.吸积盘
M87黑洞周围有一圈以接近光速旋转的超热气体和尘埃盘。这个盘面能发射出热、无线电噪声和X射线,其中某些X射线长达10万光年。
 
5.X射线喷流
一百多年前,天文学家就发现了来自于M87的“直射光线”。当绕着中心黑洞旋转的超热气体沿着强烈的磁场线射出时,就会形成这种强烈的喷流。当电子沿着这些磁场线旋转时,就会产生各种波长的辐射,从无线电到X射线不等。
 
  M87的图像与爱因斯坦的预言相符,不过,外侧的一圈亮光有点不均匀,看起来像是一个肿胀的甜甜圈。不过,这也在预料之中。环绕在黑洞周围的物质形成了一个发光的圆盘,由于这个圆盘的一侧在朝着我们运动,因此,这部分就会更明亮一些。
 
  “整个东西都在运动,因此,某一部分是在朝着我们发光,所以啊,《星际穿越》错了!” Markoff认为2014年的那部电影中所展现的黑洞景象不太准确。她补充道:“看这张图像,与望向时空中的某个黑洞,是大相径庭的。”
 
  根据M87黑洞的事件视界,研究团队测算出这个黑洞的质量大约相当于65亿颗太阳,与根据绕其旋转的恒星的运动而间接估测的质量范围恰好相符。不过,问题在于,科学家们估测黑洞质量常用的方法,是根据绕黑洞运转的气体的运动来计算,而用这种方法计算出的黑洞质量比此次发布的黑洞质量要小得多。如果两者相差较大,那么,科学家们就需要弄清楚其中的原因。
 
  美国普林斯顿大学的天体物理学家Jenny Greene说:“我们把拥有气体动态的星系按比例放大了,因此,现在非常关键,应该把这种方法进行适当地校准。”
 
  但是,尽管新的数据能帮我们计算出黑洞的质量,但要让研究团队说出M87黑洞的事件视界有多大,还是有点儿难。正如我们经常看到的那样,物体的轮廓或阴影的边缘很模糊,这张图像中的黑圈也是一样。计算这个黑洞直径所需要的一系列参数目前都还是未知数,比如黑洞自转的速度是多快,它在太空中的确切定位在哪里。
 
  如果把这个黑洞放在我们的太阳系里,它的事件视界可能远在冥王星的轨道之外,可能比地日距离的120倍还远。
 
  有意思的是,这意味着,你可能从M87黑洞的事件视界穿过而不自知,因为这个黑洞如此巨大,以至于在这个点上,时空几乎并不会发生弯曲。此处,M87黑洞的巨大引力对你头部和脚部的引力可能是相同的。但是,当你再近一步,时空曲率骤增,你最终会被拉成垂直而细长的一根面条。这时候,你肯定会觉察出来,因为,你一定开始感觉到不舒服。
 
喷射器
 
  没人知道身处黑洞的中心——奇点是什么感受。在宇宙这块绒布上出现的这个针孔,周围是弯曲的、奇特的时空,任何东西都无法逃脱。
 
  然而,这张新图像将帮助科学家更好地理解M87黑洞的外侧,尤其是以接近光速传播的高能带电粒子。M87黑洞外侧可见的喷流直径约为4900光年,在周围的宇宙背景中非常惹眼。
 
  黑洞还会把物质抛射到太空中去?这与它只会吸入物质的设定似乎有些矛盾。这种奇异的天体真是让人困惑至极。
 
  加拿大麦吉尔大学的Daryl Haggard说:“黑洞推开物质的能力,与它们吸引物质的能力是一样的。”他指出,科学家们真的不知道黑洞是怎么产生喷流的。
 
  通过观测M87黑洞的事件视界,以及光和物质的交接处,科学家们或许能够解开这一难题。此前,多个天文台曾对准这个黑洞,试图解开黑洞喷流的动力源。
 
  Markoff说,这类喷流似乎起源于事件视界周围所环绕物质,这个区域叫作“能层(ergosphere)”。在能层里,时空永不静止,永远在旋转。这个环境中的磁场线非常强烈,气体高达几百万度,各种粒子以近乎不可能的速度飞着。这些因素在微观尺度上的交互作用,似乎激发出喷流中蕴含的巨大能量。
 
  Markoff说,把M87黑洞相对活跃的喷流,与我们银河系黑洞最终的图像对比后,“我们将更好地理解黑洞势力的兴衰,对我们宇宙漫长历史的影响。”

(译者:mikegao)
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