关于“摄猎”黑洞的八大天问

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小编:本文由中科院中国科普博览微信公号与本版共同推出。作者为《黑洞来客》团队成员,其中苟利军为中科院国家天文

  本文由中科院中国科普博览微信公号与本版共同推出。作者为《黑洞来客》团队成员,其中苟利军为中科院国家天文台研究员、国家天文台恒星级黑洞爆发现象研究创新团组负责人。

  北京时间4月10日,人类首张黑洞照片在全球六地的视界望远镜发布会上同步发布。经过漫长的等待,在全球200多位科学家的努力之下,第一幅黑洞照片新鲜出炉。

  长久以来在电脑上模拟得到的黑洞形象,第一次真实地呈现在我们的眼前。在这张来自视界望远镜的照片里,M87中心黑洞如同电影《指环王》中索伦的魔眼,在温暖而神秘的红色光环中间,是一片深黑的无底之洞。

  这个圆环的一侧亮一些,另一侧暗一些,原因在于吸积盘的运动效应——朝向我们视线运动的区域因为多普勒效应而变得更亮,远离我们视线运动的区域会变暗。中间黑色的区域就是黑洞本身——光线无法逃离之处。

  1968年,美国天体物理学家约翰·惠勒提出了“黑洞”的概念,而100多年前德国物理学家卡尔·史瓦西就为黑洞作出了精确解。今天我们收获了第一张黑洞的照片,人类对黑洞和宇宙的认识又迈出了关键一步。

  在2017年4月全球数个射电望远镜阵列组成虚拟望远镜网络事件视界望远镜(EHT)并拍下第一张黑洞照片之时,我们就曾写到:“人类第一次看到黑洞的视界面,无论我们最终得到的黑洞图像是什么样子——是像电影画面一般壮观恢弘,或者只有几个模糊的像素点——事件视界望远镜都意义非凡,这是我们在黑洞观测史上迈出的重要一步。观测结果不仅仅是一张照片那么简单,它一方面呼应着爱因斯坦的广义相对论,另一方面也将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。我们将成为有史以来第一批‘看见’黑洞的人类,真是好运气。”

  两年之后,这张宝贵的照片终于呈现在我们眼前,同时它让我们思考下面的一些问题。

  ①这张值得全世界六地同时兴师动众发布的照片,究竟是怎么拍出来的?

  在过去10多年间,美国麻省理工学院的科学家们联合了其它研究机构的科研人员,开展了激动人心的“事件视界望远镜”项目,全球多地的一系列亚毫米射电望远镜同时对黑洞展开观测。

  事件视界望远镜由位于四大洲的数个射电望远镜所组成,构建了一架和地球大小相当的望远镜。它们北至西班牙,南至南极,向选定的目标撒出一条大网,捞回海量数据,以勾勒出黑洞的模样。

  事实上,亚毫米波段和我们非常熟悉的可见光有着天壤之别。这个波段我们是无法直接看到的,利用亚毫米波段给黑洞拍照,其实就是得到黑洞周围辐射的空间分布图。

  对于我们日常接触的光学照片来说,它反映的是光学波段不同颜色或者频率的光子在不同空间位置上的分布情况。明白了这一点以后,我们就很容易理解亚毫米波段“黑洞照相馆”的原理了。

  虽然是在单个频率进行亚毫米波段观测,但由于黑洞周围不同区域的光子所产生的辐射强度不同,我们可以得到一个光子强度分布图,然后我们假定不同的强度对应着不同的颜色,就能够得到一幅“伪色图”——图中的颜色很可能是科学家根据个人喜好自行设定的颜色。

  ②电影《星际穿越》中的“卡冈图雅”黑洞有着深不见底的黑色中心与立体清晰的气体圆环,此次发布的照片里的M87为何模糊许多?

  与光学照片一样,清晰度根源于分辨率。要提高望远镜分辨率,可从两方面努力:一是降低观测频段光子的波长(等价于增强能量),二是增加望远镜的有效口径。利用全球不同地方的望远镜联网,我们得到了一个口径超大的望远镜,并在相关技术相对成熟的射电波段内,选择了能量最高的毫米和亚毫米波段。

  值得注意的是,有效口径取决于望远镜网络中相距最远的两个望远镜之间的距离。2017年,一系列亚毫米波望远镜加入观测,2018年北极圈内格陵兰岛的亚毫米波望远镜加入,基线长度增加,提高了分辨率。

  虽然我们现在的亚毫米望远镜基线已达到了1万公里,但空间分辨率刚达到黑洞视界面的尺寸,所以在科学家们观测的有限区域内,就相当于只有有限的几个像素。在《星际穿越》中,天文学家基普·索恩设想的黑洞形象——包括吸积盘的许多具体细节——都通过技术手段呈现了出来,然而在真实的情况下,我们在照片中只能看到吸积盘上的几个亮斑而已。

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