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看明白人类首张“黑洞”图,你要弄懂这十个问题

时间:2019-04-11 20:09

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新京报快讯(记者 李玉坤 王俊)4月10日晚,人类首张黑洞照片“冲洗”完成,多国科学家在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿6个地方同步发布。


看明白人类首张“黑洞”图,你要弄懂这十个问题

室女座星系团中超大质量星系 Messier 87中心的黑洞图像。图源:中科院之声


该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系Messier 87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”。


一、黑洞是什么,概念是谁提出的?

中科院国家天文台研究员苟利军说,对于黑洞的认识经历了一个漫长的过程。


理论上,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围。


不过,黑洞的概念最早出现在1798年。拉普拉斯根据牛顿力学计算,一个直径为太阳250倍而密度与地球一样的天体,其引力足以捕获其发出的光线而成为一个暗天体,也称为“暗星”。


1915年,爱因斯坦广义相对论诞生。1916年,史瓦西给出了广义相对论的第一个严格解释,他发现所有的星体都存在一个史瓦西半径,如果星体的实际半径比它的史瓦西半径要小,那么它就会变成一个黑洞。比如,太阳的史瓦西半径是3千米。


1939年,奥本海默根据广义相对论证明当天体的质量大于临界质量时,引力坍塌后不可能达到任何的稳态,只能形成黑洞。黑洞有两种,轴对称的克尔黑洞和球对称的史瓦西黑洞。


1974年,霍金证明黑洞具有与其温度相对应的热辐射,称为“黑洞辐射”。黑洞的质量越大,温度越低,发射过程就越慢。


二、在人类给黑洞“拍照”前,怎么确认黑洞?


之前怎么确认黑洞?苟利军表示,在这次拍照前,天文学家们通过各种间接证据表明了黑洞的存在。


比如,恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹,黑洞有强引力,对周围的恒星、气体会产生影响,于是我们可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在,也可以根据黑洞吸积物质发出的光来判断黑洞的存在,再就是通过看到黑洞成长的过程发现黑洞。


1970年,美国的“自由”号人造卫星发现位于天鹅座X-1上一个比太阳重30多倍的巨大星球,被一个重约10个太阳的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞,这是人类发现的第一个黑洞。


中科院国家天文台研究员刘继峰领导的国际团队在世界上首次成功测量到X射线极亮天体的黑洞质量,研究成果2013年11月28日发表在国际权威杂志《自然》上。他们在3个月的时间跨度上对漩涡星系中X射线极亮源M101ULX-1进行了研究,并确认其中心天体为一个质量与恒星可比拟的黑洞。这个黑洞加伴星形成的黑洞双星系统位于2200万光年之外,是人类迄今发现的距离地球最遥远的黑洞双星。


三、什么叫“事件视界”和“事件视界望远镜”?


黑洞几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,并在周围形成一个强大的引力场,在一定范围之内,连光线都无法逃脱。光线不能逃脱的临界范围被称为黑洞的半径或“事件视界”,也叫“视界面”。


现在望远镜的半径越造越大,我国的FAST已经有500米口径,已经发现了很多脉冲星。但是,要想观测遥远黑洞,依靠目前任何单个望远镜都还远远不够。2017年4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划,利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络。苟利军说,在2017年8个不同的望远镜进行观测的基础上,2019年又加了一个望远镜。


“事件视界望远镜”就是利用“甚长基线干涉技术”(VLBI) 和全球多个射电天文台的协作,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜。


四、“连光都逃不出来”,这次如何能拍到黑洞?


苟利军解释,“连光都逃不出来”指的是黑洞里面的情况,这次拍摄的是黑洞周围、尚未掉入黑洞的气体所产生的光线和辐射。


“类似于星际穿越的电影中,中间有黑色的区域,外围有黑色的圆环之类的,在外部亮的圆环的衬托下,我们将中间黑色的区域称之为‘黑洞的阴影’。”苟利军说。


星际穿越中黑洞巨大的吸积盘吸引了很多观众,并被称为最接近黑洞的想象。

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