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天文学家可能终于捕捉到有史以来第一张黑洞影像

   银河系中心超大质量黑洞的插画想像示意图。 / PHOTOGRAPH BY NRAO, AUI, NSF

银河系中心超大质量黑洞的插画想像示意图。 / PHOTOGRAPH BY NRAO, AUI, NSF

位于智利沙漠中的阿塔卡玛大型毫米/次毫米波阵列包含66个电波碟形天线,这是其中一部分。 / PHOTOGRAPH BY NRAO, AUI, NSF

位于智利沙漠中的阿塔卡玛大型毫米/次毫米波阵列包含66个电波碟形天线,这是其中一部分。 / PHOTOGRAPH BY NRAO, AUI, NSF

银河系中心区域的特写照,我们的星系的超大质量黑洞就在这里。 / PHOTOGRAPH BY NRAO, AUI, NSF

银河系中心区域的特写照,我们的星系的超大质量黑洞就在这里。 / PHOTOGRAPH BY NRAO, AUI, NSF

地面的电波天文台再加上两架太空望远镜的协力观测,造就了这张星系中心的影像。 / PHOTOGRAPH BY NRAO, AUI, NSF

地面的电波天文台再加上两架太空望远镜的协力观测,造就了这张星系中心的影像。 / PHOTOGRAPH BY NRAO, AUI, NSF

美国航太总署的望远镜观测到遥远星系中,有一圈恒星环绕着中心的黑洞。 / PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH

美国航太总署的望远镜观测到遥远星系中,有一圈恒星环绕着中心的黑洞。 / PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH

除了超大质量黑洞之外,天文学家还发现有间接证据显示质量较小的黑洞会发散许多宿主星系,像是这个由美国航太总署X射线望远镜所捕捉到的爆发。 / PHOTOGRAPH

除了超大质量黑洞之外,天文学家还发现有间接证据显示质量较小的黑洞会发散许多宿主星系,像是这个由美国航太总署X射线望远镜所捕捉到的爆发。 / PHOTOGRAPH BY NASA, STSCI, MIDDLEBURY COLLEGE, F. WINKLER ET AL.

紫红色斑点是螺旋星系旋臂上的小型黑洞所发射出的明亮X射线。 / PHOTOGRAPH BY NASA, JPL-CALTECH, DSS

紫红色斑点是螺旋星系旋臂上的小型黑洞所发射出的明亮X射线。 / PHOTOGRAPH BY NASA, JPL-CALTECH, DSS

两个相撞的星系扫过超大质量黑洞的爆发,在各个波段都发出亮光。 / PHOTOGRAPH BY NASA, CXC, SAO, R. VAN WEEREN ET

两个相撞的星系扫过超大质量黑洞的爆发,在各个波段都发出亮光。 / PHOTOGRAPH BY NASA, CXC, SAO, R. VAN WEEREN ET AL

这张由哈伯太空望远镜拍摄的影像,显示高速粒子喷流从星系中心的超大质量黑洞中喷射而出。 / PHOTOGRAPH BY NASA, ESA, STSCI

这张由哈伯太空望远镜拍摄的影像,显示高速粒子喷流从星系中心的超大质量黑洞中喷射而出。 / PHOTOGRAPH BY NASA, ESA, STSCI

美国航太总署的望远镜捕捉到从目前为止观测到最强大的超大质量黑洞之一附近,所发出的X射线。这个宇宙巨兽大约在39亿光年之外。 / PHOTOGRAPH BY NA

美国航太总署的望远镜捕捉到从目前为止观测到最强大的超大质量黑洞之一附近,所发出的X射线。这个宇宙巨兽大约在39亿光年之外。 / PHOTOGRAPH BY NASA, CXC, STANFORD, J.HLAVACEK-LARRONDO ET AL

科学家串连全球巨型望远镜的网络所获得的观测资料,可能将开展我们对重力认识的新疆界。

科学家串连全球巨型望远镜的网络所获得的观测资料,可能将开展我们对重力认识的新疆界。

(36500365uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:Ron Cowen 编译:胡佳伶):科学家串连全球巨型望远镜的网络所获得的观测资料,可能将开展我们对重力认识的新疆界。

麻州韦斯特福德──银河系中心的巨兽,其实被层层包裹。

在结束了五个晚上的观测后,科学家可能终于捕捉到有史以来第一张黑洞影像。

更确切地说,这张万众期待的照片拍摄的其实是黑洞周围的神秘区域,也就是「事件视界」(event horizo​​n)。在事件视界内,任何东西──包括光在内,都无法逃出黑洞的魔掌。

最后一次观测在美东时间早上11点22分结束,在麻州的韦斯特福德(Westford),团队成员文森.费许(Vincent Fish)终于可以安心地在麻省理工学院海斯塔克天文台(Haystack Observatory)的办公室坐下。在过去一周内,他全天24小时待命,只能断断续续地小睡,还得把手机放在身旁,铃声调大。

当最后一笔资料抵达执行计划的天文台后,费许看到聊天专线里不断涌入给电波天文学家和工程师的祝贺讯息。有人说要打开一瓶珍藏了50年的苏格兰威士忌,还有人说他正在听着《波希米亚狂想曲》的胜利乐曲庆祝。

「我很高兴,也觉得如释重负,并期待能好好睡上一觉。」费许说。

但从压力解脱后,期望也随之而来:这么多的资料需要花时间来处理,而且团队必须等上好几个月,才能知道他们付出的大量努力是否真能换来成功。

「虽然第一批影像还是很糟,色彩也不对,但我们已经可以首次在黑洞的极端环境下,验证爱因斯坦重力理论的某些基本预测。」荷兰奈梅亨拉德堡德大学(Radboud University in Nijmegen)的电波天文学家海诺.法尔克(Heino Falcke)表示。

1915年,爱因斯坦发表了革命性的广义相对论,认为物质会扭曲时空的几何结构,而我们体验到的时空扭曲就是重力。超大质量黑洞的存在就是爱因斯坦的理论最先预测的几个现象之一。

「这种超大质量黑洞是空间和时间的最终点,并且很可能代表着人类知识的终极极限。」法尔克表示。然而天文学家只能以间接证据证明,超大质量黑洞藏身在宇宙中每个大型星系的中心。即使爱因斯坦也无法确定它们是否真实存在。

据法尔克表​​示,首批影像「会让黑洞从某种神秘物体,变成我们可以研究的实体。」

折磨人的天气观测

能走到今天这一步,是靠着全球各地──从夏威夷最高峰到南极冻原──天文台多年的计划与合作。这八座天文台以电子方式串连成网路,创造出一个盘面和地球一样大的虚拟望远镜。

自4月4日开始的十天观测时间内,这个称为「事件视界望远镜」的电波碟形天线网路,将目光投向了宇宙。

望远镜瞄准了两个超大质量黑洞:一个是位于银河系中心的人马座A*(Sagittarius A*),这头巨兽的质量是太阳的400万倍;另一个则是邻近星系M87中心的黑洞,质量约有太阳的1500倍。

在这之前,事件视界望远镜也曾观测过这两个超级巨兽的周围环境,但这是第一次纳入南极望远镜(South Pole telescope)和拥有66座电波碟型天线的智利阿塔卡玛大型毫米/次毫米波阵列望远镜(Atacama Large Millimeter/ Submillimeter Array ,简称ALMA)。

阿塔卡玛阵列望远镜让事件视界望远镜的敏锐度提高了十倍,甚至可以看到月球上高尔夫球大小的物体,因此能够拍摄到两个黑洞周围的极小事件视界。

多年来,研究团队一直在协调多座望远镜的观测时间,并为每个观测站配备关键的电子仪器。然而最终摆布他们的却是他们无法控制的因素──天气。

天文学家以毫米级的无线电波观测这些黑洞,因为在这个波长范围内,光可以穿透星系中心浓厚的气体和尘埃,相对较畅通无阻地抵达地球。

但是水能吸收也能发出无线电波,也就是说,降水会影响电波观测。

为了减少降水带来的影响,电波望远镜通常架设在高海拔的地方,例如山顶或高原的荒漠。但是,接踵而来的的云、降雨或降雪仍然会让天文台不能工作。此外,高海拔地区的强风也会让望远镜无法运作。

「要在所有观测点都有好天气的机率,几乎等于零。」费许这么说。

由于在观测期间,只有五个晚上可以有效利用,因此,费许和他的同事每天都要开会,针对是否该启动观测网路做出令人伤透脑筋的决定,还要掌控每个观测地点目前的天气状况,以及未来几天的可能变化。从麻省理工学院的天文台上,费许会在一个萤幕上持续监控每个观测站的天气,然后在另一个萤幕上与其他天文学家沟通。

在麻州剑桥的哈佛-史密松天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)担任「事件视界望远镜」 计划主持人的夏普.多尔曼(Shep Doeleman)说:「令人伤心的是,当你在某个晚上启动观测网路,天气却变[糟]了,」或者取消观测后,结果当晚却是好天气。

期待好事「花生」

现在五天可供观测的时间已经结束,天文学家得等上好一阵子,并且经过数个月的资料分析,才能确定他们是否已经取得黑洞阴影影像。

每一个天文台得到的资料量都非常庞大,无法通过网路传输。因此所有望远镜产生的资料量──相当于1万台笔记型电脑的储存空间──是记录在1024个硬碟里,这些硬碟必须邮寄到麻省理工海斯塔克天文台的事件视界望远镜处理中心,以及德国波昂的马克斯.普朗克电波天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy)。

但在南极望远镜那边的硬碟,只能等到10月底当地冬季结束之​​后,才能空运出来。

一旦资料送到处理中心,大量的伺服器会将八个天文台所收集到以时间标记的电波信号整合起来。比对与整合无线电波必须格外小心,才不会在整合过程中遗漏了事件视界的大小与结构等关键资讯。

这种称为「甚长基线干涉测量法」(very long baseline interferometry)的电波资料整合技术,在电波天文学领域十分普遍。但是在一般情况下,望远镜的数量不会这么多,也不会如此分散。

「我们试图让这个和地球一样大的望远镜网路协调一致,光用想的就觉得不可思议。」多尔曼说。

天文学家们希望他们在整合所有信号后,能看到围绕着黑圈的光环──也就是黑洞的影子。这道新月形的光芒,来自绕行于黑洞外围、被加热到数千亿度高温的发光气体,它也刚好标示了事件视界外的区域。

有些电脑模拟的结果显示,光环的一侧可能比另一侧更厚、更亮,就像是个「无法赢得任何花生选美比赛冠军的花生。」法尔克这么说。

就算他们无法从这次的联合观测中得到影像,多尔曼和同事们也已经计划好,准备明年利用更大的电波望远镜网路再试一次。

「在未来的10年到50年,」法尔克说:「我们的望远镜网路会扩展到非洲,最后甚至到太空,那么我们就能得到非常清晰的影像了。」

相关资料:永不满足的怪兽

科学家在人马座方向发现了一个非常致密的电波源,距离地球有2万6000光年。现在科学家已经知道这个称为人马座A*(Sgr A*)的电波源,其实是个位在我们星系中心

虽然黑洞的名称意味着虚空,但它其实是宇宙中密度最大的天体,因此有巨大的引力。恒星黑洞是大质量恒星坍塌所形成的,能将十个太阳的质量压缩到纽约市的大小。星系中心的超大质量黑洞,其质量是太阳的数十亿倍,它们的起源至今仍是个谜。

1974年,科学家在人马座方向发现了一个非常致密的电波源,距离地球有2万6000光年。现在科学家已经知道这个称为人马座A*(Sgr A*)的电波源,其实是个位在我们星系中心的超大质量黑洞,质量超过太阳的400万倍。

1.奇异点:根据爱因斯坦的方程式,在黑洞中心,整个恒星的质量会坍塌成一个密度无限大、零维度的点,这就是奇点(singularity)。奇异点实际上可能不存在,但在我们对重力的理解中,奇异点指的是数学上的一个洞。

2.事件视界 :事件视界在人马座A*周围延伸约1287万公里,在这个界限之内,连光都无法逃出黑洞的重力。

3.静止极限:黑洞的自转会扭曲空间,使周围物质的绕行速度加快或减慢。静止极限(static limit)是指在这个轨道上的物体相对于黑洞的自转速度以光速运动,看起来像是处于静止的状态。

4.吸积盘:在人马座A*的周围有一圈盘状的超热气体和尘埃,以接近光速旋转。盘面散发出热、电波噪音和X射线闪焰,但与其他星系中的吸积盘相比,这个吸积盘还算是温和的。

5.X射线喷流:虽然人马座A*现在看起来很平静,不过就在2万年前,它可能吞噬了比太阳重100倍的一颗恒星或是气体云。这顿大餐让黑洞从两极向外喷发出X射线喷流,与星系盘面呈现15度的夹角。




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