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黑洞露真容

綜合新華社    2019年04月11日

5500萬光年外有個“甜甜圈” 人類終于“看到”了黑洞

4月10日,中國科學(xué)院上海天文臺舉行新聞發(fā)布會,為人類史上首張黑洞照片揭幕。新華社記者 金立旺 攝

   神秘天體黑洞終于被人類“看到”了。數(shù)百名科研人員參與合作的“事件視界望遠鏡”項目10日在全球多地同時召開新聞發(fā)布會,發(fā)布他們拍到的第一張黑洞照片。

  照片“主角”是室女座超巨橢圓星系M87中心的超大質(zhì)量黑洞,其質(zhì)量是太陽的65億倍,距離地球大約5500萬光年。照片展示了一個中心為黑色的明亮環(huán)狀結(jié)構(gòu),看上去有點像甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“陰影”,明亮部分是繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤。

  “我很高興地宣布,我們首次看到了曾認為不可見的東西……而這只是開始?!表椖恐魅巍⒚绹?史密森天體物理學(xué)中心的謝潑德·杜勒曼在美國首都華盛頓說。發(fā)布會現(xiàn)場多次響起熱烈掌聲。

  除華盛頓外,中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾和日本東京等地也同時召開發(fā)布會。美國《天體物理學(xué)雜志通訊》以特刊形式通過6篇論文發(fā)表這一重大成果。

  上世紀初,愛因斯坦提出廣義相對論預(yù)言了黑洞的存在。這是一種體積極小而質(zhì)量極大的天體,引力非常強,以至于周圍一定區(qū)域內(nèi)連光也無法逃逸,這一區(qū)域被稱為“事件視界”。

  包括中國科學(xué)院上海天文臺在內(nèi)的一些中國機構(gòu)參與觀測和數(shù)據(jù)處理。中科院國家天文臺副臺長薛隨建說,此次參與為中國今后在相關(guān)國際合作中發(fā)揮更重要作用做了良好示范。

  照片給出黑洞這一極端天體存在的最直接證據(jù),驗證了廣義相對論,也將幫助回答星系中的壯觀噴流如何產(chǎn)生并影響星系演化等諸多前沿問題。

  “黑洞是時空盡頭,存在一些我們想破解的謎團。首次給黑洞拍照可能幫助我們朝著解開這些謎更進一步?!表椖靠茖W(xué)委員會主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克告訴新華社記者。美國哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家亞伯拉罕·洛布形容:“百聞不如一見,一圖抵千言。”

  三大看點

數(shù)據(jù)加理論 照片“沖洗”了兩年

  人類獲得的首張黑洞照片10日面世。這張照片在科學(xué)上有多重要?拍到黑洞照片有多難?中國又發(fā)揮了什么作用?

了解黑洞吞噬噴射物質(zhì)的過程

  兩百多年前,就有科研人員設(shè)想宇宙中存在一種質(zhì)量巨大、引力強到連光也無法逃脫的天體。愛因斯坦在一百多年前提出的廣義相對論,可用于計算出這種天體的若干性質(zhì)。但黑洞作為一個科學(xué)術(shù)語,直到20世紀60年代才由美國天體物理學(xué)家約翰·惠勒提出。

  給黑洞拍照的“事件視界望遠鏡”項目科學(xué)委員會主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克告訴新華社記者,黑洞涉及人類對宇宙的根本了解,“我們的宇宙中有兩大理論,愛因斯坦的相對論描述了宏觀,量子力學(xué)描述了微觀,但是在黑洞的邊緣,相對論與量子力學(xué)無法協(xié)調(diào),在那里可能會發(fā)現(xiàn)新的東西”。

  美國亞利桑那大學(xué)天文學(xué)副教授丹尼爾·馬羅內(nèi)認為,黑洞在長時間尺度上會影響宇宙演化。但人們并沒有完全了解黑洞如何吞噬物質(zhì),然后又將其中一部分以接近光速向外噴射,影響其所在星系。黑洞照片有助于了解黑洞噴流的形成過程。

打開黑洞秘密的全新窗口

  此次拍照的一個目標是代號為M87的超巨橢圓星系中心黑洞,它的質(zhì)量是太陽的65億倍,但離我們實在太遠,達到5500萬光年。

  要拍攝這么遠的對象,科學(xué)家模擬出口徑像地球一樣大的望遠鏡,這就是“事件視界望遠鏡”,它集合了分布在全球各地的多個射電望遠鏡。從智利阿塔卡馬沙漠到南極冰原,從西班牙的高山到夏威夷的海島,8個射電望遠鏡通過“甚長基線干涉測量技術(shù)”聯(lián)合起來,成功拍到人類歷史上第一張黑洞照片。

  經(jīng)大約兩年的數(shù)據(jù)處理及理論分析,照片才成功“沖洗”出來。談及給黑洞拍照的難度,項目協(xié)作委員會主席、德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長安東·岑蘇斯打比方說:“如果地球是平的,那使用這一技術(shù)可以從波恩看清紐約街頭報紙上的字?!?/p>

  照片展示了一個中心黑色的明亮環(huán)狀結(jié)構(gòu),有點像甜甜圈,也與此前科幻電影《星際穿越》科學(xué)顧問根據(jù)相對論等模擬的黑洞圖片相似。

  此次合作匯集了全球超過200名研究人員的共同努力?!拔覀円呀?jīng)完成了上一代人認為不可能做到的事情。”項目主任、美國哈佛-史密森天體物理學(xué)中心的謝潑德·杜勒曼總結(jié)說?!凹夹g(shù)的突破、世界上最好的射電望遠鏡之間的合作、創(chuàng)新的算法都匯聚到一起,打開了一個了解黑洞的全新窗口。”

期待中國成為重要一員

  在“事件視界望遠鏡”項目中,中國科學(xué)院天文大科學(xué)研究中心(國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺)參與了位于美國夏威夷的東亞JCMT望遠鏡對黑洞的觀測,多名中國學(xué)者是此次黑洞照片相關(guān)論文的作者。

  不過,中國天文學(xué)界清醒地認識到目前的“參與者”角色。中國科學(xué)院國家天文臺副臺長薛隨建指出,這次“算是重在參與”,“在中國科學(xué)界參與的三十米望遠鏡(TMT)等其他重大國際項目中,那些可預(yù)期和不可預(yù)期的重大發(fā)現(xiàn)將更加激動人心?!?/p>

  太空可能是中國未來能發(fā)揮更多作用的地方。法爾克說,今后要拍攝更好的黑洞照片,就需要比地球還大的望遠鏡,這就需要走向太空,“中國在射電干涉測量技術(shù)和太空探索方面的能力正快速增長,我期待未來中國能成為這個領(lǐng)域的重要一員”。

    專訪物理學(xué)家李淼:

拍的不是黑洞“樣子” 是對周圍物質(zhì)影響

□川報記者 熊筱偉

  北京時間4月10日21時,人類首張黑洞照片正式發(fā)布??吹叫侣?,讓不少人看不懂的是:不是說黑洞引力之大,連光都逃不掉嗎?應(yīng)該是什么都看不到啊,怎么會有照片呢?

  照片發(fā)布前,我國著名物理學(xué)家、中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長李淼在奔赴專題節(jié)目直播的間隙,接受了記者專訪。

  “常識并沒有問題,光是逃不出黑洞的。”李淼說,但黑洞對周圍物質(zhì)和恒星的影響可以讓科學(xué)家觀察它們。簡單說,通過記錄下周圍物質(zhì)的變化,“勾勒”出黑洞的輪廓。

  “黑洞外圍會有物質(zhì),在引力作用下繞著黑洞轉(zhuǎn),不斷摩擦產(chǎn)生輻射。而同樣因為引力,輻射在釋放出來的時候,會損失掉部分能量。對輻射來說,能量越大頻率越高。能量弱了,頻率會變慢,這就是著名的紅移現(xiàn)象,這個現(xiàn)象被各地觀察點捕捉,就成了黑洞的‘照片’”。

  給黑洞拍照片,意義何在?“本身拍照這件事就足夠有趣了。”李淼說,同時此次拍照的黑洞,是在銀河系形成之初就有了,“對它們的觀察有助于研究了解銀河系的形成?!崩铐到榻B,所有星系中心都有超大黑洞,銀河系中心的黑洞絕對不是最大的。

  為什么星系中間會有黑洞?“因為銀河系剛剛形成的時候,中心物質(zhì)最多,就容易塌縮成黑洞?!?/p>

  黑洞吸收了那么多物質(zhì),這些物質(zhì)都到哪兒去了?“都到奇點去了,但對奇點我們還缺乏了解。”

科學(xué)家說

人類首張黑洞照片是怎樣拍的

  “如果地球是平的,那使用這一技術(shù)可以從波恩看清紐約街頭報紙上的字。”德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長安東·岑蘇斯對新華社記者說,集合全球射電望遠鏡給黑洞拍照,有助于探索宇宙形成之謎。

  名為“事件視界望遠鏡”的項目,主要任務(wù)是拍攝兩個黑洞。一個位于銀河系中心,名為“人馬座A*”,是距離我們最近的超大質(zhì)量黑洞;另一個就是位于銀河系鄰近星系M87中心的黑洞。

  即使最近的“人馬座A*”,距地球也有2.6萬光年,M87更是距離地球5500萬光年。

  給這么遠的對象拍照,需要舉全球之力,科學(xué)家模擬出口徑像地球一樣大的望遠鏡,這就是“事件視界望遠鏡”,項目團隊由來自全球的數(shù)百名研究人員組成,集合了分布在全球各地的多個射電望遠鏡。

  拍照工作大約兩年前正式啟動,位于歐洲、美洲、大洋洲和南極洲的8個天文臺參與,觀測數(shù)據(jù)于2017年4月完成收集,并在當年年底送到馬克斯·普朗克射電天文研究所和美國麻省理工學(xué)院分析。2018年6月至11月,各地科學(xué)家基于這些數(shù)據(jù)進行圖像構(gòu)建工作。此后直至今年4月,是相關(guān)論文的撰寫和同行評議階段。

  岑蘇斯表示,首次發(fā)布黑洞照片“只是開始”?!拔覀兾磥頃U大陣列望遠鏡的數(shù)量規(guī)模,提高靈敏度和分辨率,繼續(xù)觀測兩個黑洞在不同階段的變化,甚至對新的黑洞進行觀察,拍攝新的、質(zhì)量更好的照片?!?/p>

  國際時評

當全世界同望星空 黑洞也“發(fā)光”

  宇宙中最神秘的天體、時空中的無底深淵,即使是光都無法逃逸……長久以來,黑洞只不過是廣義相對論的預(yù)言、愛因斯坦的方程、模擬電腦圖像、引力波等項目的間接證據(jù),或者科幻小說的想象。

  然而,當全球科學(xué)界將分布在世界各地的8個射電望遠鏡(陣)組成“地球級別”的虛擬望遠鏡陣列,同一時刻、同一方向,對準同一片遙遠星空,就連黑洞——這些深藏于宇宙各處的引力陷阱,也會“發(fā)出耀眼光芒”。

  從美國夏威夷到智利,從伊比利亞半島到南極……全球30多個研究所,200多名科學(xué)家,傾數(shù)年心血,攜手并肩,共同記錄黑洞周圍吸積盤和噴流等發(fā)出的耀眼光芒,從而讓超大質(zhì)量黑洞無處遁形,顯現(xiàn)“真容”。正是全球同步的努力,讓人類拍攝到有史以來首張黑洞照片。

  在這一“興師動眾”的過程中,科研領(lǐng)域全球同步的作用愈發(fā)凸顯。正如“事件視界望遠鏡”項目科學(xué)委員會主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克所說,這樣的項目需要整個世界。

  事實上,觀測黑洞項目,讓地球上幾乎所有這一領(lǐng)域的研究人員都不同程度地以不同方式參與其中??茖W(xué)探索,正讓整個世界以不同尋常的方式更緊密地連接在一起,不僅讓地球,也讓人類成為一個共同體。

  無論是對黑洞概念懵懵懂懂的早期天文學(xué)家、發(fā)表廣義相對論的愛因斯坦、獲得黑洞存在證據(jù)的引力波項目團隊,還是今天共同拍攝黑洞照片的各國科研人員,讓人類持續(xù)探索并不斷取得進步的動力之一,正是人類作為一個共同體對宇宙和自身的好奇心。

  無論仰望星空,還是審視自己,當?shù)厍蛏系娜藗內(nèi)w凝視同一方向,如同黑洞這樣曾經(jīng)深藏不露的未知,終將一個接一個“顯露光芒”。

  綜合新華社


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