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    第一张黑洞照片是如何拍出来的?你想知道的都在这里了!

    2019-04-11  育则维善...

    有史以来第一张直接?#19978;?#30340;黑洞照片终于出来了!

    国家科学基金会(NSF)刚刚全球同步,发布了2017年4月拍摄的室女A星系(M87)中心的黑洞照片。虽然我有点小小的失望,一是此前就以吊足我们胃口的银河系中心黑洞照片并没有出来;二是直接?#19978;?#30340;黑洞照片并不像此前期待中那样极度壮观,事前想象的惊掉下巴也楞没掉下去。不过这毕竟是人类历史上第一次直接拍摄到黑洞照片,肯定有很多朋友急切地想知道,为什?#27425;?#20204;看到第一张黑洞照片如此模糊,拍摄会如此艰难,需要等待如此漫长的时间,以至一生研究黑洞,对黑洞理论发展做出主要?#27605;?#30340;英国著名理论物理学?#19968;?#37329;,也无法在有生之年一睹它的风采,而抱憾离去。

    黑洞是什么?

    虽然大?#20197;?#24050;对黑洞熟悉得不能再熟悉了,我首先还是要提出这个问题。我们的宇宙极为空旷,相当于平均每四立方米空间里只有一个质子,然而这并不是宇宙的真实情况,因为绝大多数物质都聚集在一起,形成了星系、恒星及行星等天体,宇宙中绝大多数地方的密度比这还要小得小得多!宇宙就像一张巨大的,无边无际的网,星系、恒星、行星等物质就是网本身,而网间的空白则是宇宙真空,所有天体都靠引力编织在一起。

    在我们眼里的宇宙,恒星占据了绝对主力的位置,向上,它组成了星系,向下,它维系着行星、卫星及小行星、碎片等组成的恒星系统,是我们地球生命之所以能诞生的关键。

    宇宙中的恒星,都是由氢聚集在一起形成的。有质量很小的红矮星,约占宇宙中恒星总数的73%,我们太阳周围最近的65颗恒星,有50颗都是红矮星。由于红矮星质量较小,氢在其中心聚变?#20174;?#30340;速度?#19979;?#22240;此可以稳定燃?#24080;?#19975;亿年到十几万亿年的时间,而目前宇宙整个才形成137亿年,因此对我们来说,红矮星几乎可以说是永恒的存在,没有生命的尽头。

    像我们太阳大小的恒星,其寿命大约有100多亿年。在生命周期的末期,太阳会因核心温度升高加快氢聚变,?#22836;?#26356;多能量变成红巨星,将水星、金星甚至地球都吞没;太阳中心的氢燃烧完后,会在1亿度高温下点燃氦聚变,燃烧氢聚变生成的氦,逐步形成致密的白矮星核心。经过不断的氦闪和脉动,太阳外层的气体被不断驱离,最后裸露出核心的白矮星,太阳就会停止聚变?#20174;Γ?#21464;得和地球差不多大。

    比太阳更大的恒星,如果最后剩下的致密核心超过1.4倍太阳质量,就会经历超新星爆炸,核心在引力作用下急剧坍缩成中?#26377;牽?#30452;径只有十多公里;而如果质?#30475;?#21040;太阳的3.2倍以上,就会坍缩成我们今天的主角——黑洞。

    所以黑洞是聚集在一起的物质无法对抗自身引力而坍缩形成的致密天体,是宇宙中时间和空间破裂的地方,宇宙的物理定律在黑洞里面已经不起作用了,你甚至可以把它理解为一个和我们宇宙无关的地方,我们谁也不知道进了这个洞,会去到哪里,会发生什么。

    超大质量黑洞是什么?

    上面所说的是恒星黑洞,也就是恒星坍缩后形成的黑洞。实际上还有一类黑洞叫超大质量黑洞,在每个星系的中心都至少有一个这样的黑洞,利用其引力将整个星?#30340;?#32858;成形。这类黑洞质量最小的也有几十万个太阳质量,最大的可能有数百亿个太阳质量。

    超大质量黑洞的形成,一种是缓慢吸积周围物质形成的;一种是数十万个太阳质量的星云,逐步萎缩?#19978;?#23545;论星体后,不经历超新星爆炸而直接坍缩形成黑洞;还有就是核心正在坍缩的高密度星团,在大爆炸瞬间从外向内压直接制造原生黑洞。

    另外还有微型黑洞,或称为量子黑洞,以及介于恒星黑洞和超大质量黑洞之间的中介质量黑洞,迄今为止都还只在理论上存在,科学家们从未观察到。

    总之,不管采取什么办法,只要你能够将足够多的物质,装入足够小的空间,就能够制造出黑洞。比如?#20998;?#26680;?#21451;?#31350;中心的LHC强子对撞机,就曾被认为会产生微型黑洞,甚至一度引起巨大?#21482;擰?/p>

    黑洞像什么?

    黑洞的所有质量都集中在中心那个密度趋近于无限的奇点。由于黑洞引力奇大,周围一定范围内任何物质都无法逃脱,而只有乖乖地等待着被吸进奇点,没有任何办法可以再重返这个宇宙。比如你被吸进黑洞后,你和这个宇宙的唯一交集,也就只剩下你的质?#30475;?#26469;的引力了。

    这个所谓的一定范围,就是黑洞的?#24405;?#35270;界。黑洞的引力是如此?#30475;螅?#20197;至于在这个视界表面,连光都无法逃离——进入这个视界,你就被这个世界彻底屏蔽了,你所发生的一切?#24405;?#36825;个宇宙都不再有任何人能看见。大概这就是?#24405;?#35270;界这个名称的由来,视界之外,你还是你,视界之内,谁也不知道你是什么了。

    由此你就可知道黑洞像什么了。黑洞实际不是一个洞,而是完全黑色的球体——由于光线无法逃离视界,我们能看到的黑洞就是一个以视界为半径的纯黑球体。黑洞质量越大,视界半径也越大。由于视界半径与黑洞质量成正比,而视界内的体积以三次方增长,所以质量越大的黑洞,其视界内的密度反而越小,一些超大质量的黑洞,其密度甚至比空气还轻!

    然而,宇宙空间极其广袤,最主要的是极其空旷,到处都漆黑一团,一个纯黑的球体在里面,你就可想而知了,所以黑洞像什么,我写到这里,实际还是没有答案。一些科学家甚至认为,太空中可能存在很多很多这种看不见的黑洞,宇宙中?#31350;?#28040;失的大部分物质——暗物质,可能就是由这些黑洞构成的,当然,这个假设并不是目前关于暗物质的主流理论。

    如何?#25293;?#30475;见黑洞?

    可能你已经迫不及待想问了,究竟怎样?#25293;?#30475;见黑洞啊?

    黑洞虽然看不见,但它拥有?#30475;?#30340;引力,可以和周围的物质相互作用,我们可以通过观察宇宙中物质的异常状态来发现黑洞。比如光线的扭曲,异常活跃的物质运动等等。换言之,我们能够看见的是黑洞的轮廓,通常在黑洞周围,由于?#30475;?#24341;力的作用,会有被加热的超?#30585;?#20142;的气体围绕其视界高速运动。

    虽然如此,但黑洞实际还是很难被发现,因为黑洞形成后会吸入它周围的物质,加之它和其它天体比起来小得可怜,导致它很难被直接观察到。就像你在熊熊燃烧的火焰里放一个小小的玻璃球,虽然它可以影响周围物质的运动,但你是很难注意到它的存在的。

    所以要想看见黑洞,还需结合它对周围天体的作用和影响进行观测。比如,当黑洞吸入恒星材料时,会在周围形成巨大的吸积气盘,盘中的气体在?#30475;?#30340;引力作用下,获得巨大的能量,从而剧烈地摩擦发热,辐射出强烈的的X射线。通过检测这些高能射线,我们就可间接获知黑洞的存在,并进行研究。

    即使如此,自黑洞理论诞生以来,能够被确认为黑洞候选者的天体也寥寥可数,更没有任何一个黑洞被直接观察到。

    看见第一个黑洞有多难?

    要看到一个黑洞是如此的困难,如此的令人绝望,相信很多人已经放弃,该干嘛就干嘛去了。但科学家们是永远不会说放弃的,因为在我们银河系的中?#27169;?#23601;有一个400万倍太阳质量的超大质量黑洞,如果连我们自家星系的这个庞然大物都看不到,怎么能说人类科学进步已到达新的高度了呢?

    然而理想是丰满的,?#36136;?#26159;骨感的。虽然银河系中心的超大质量黑洞质?#30475;?#22826;阳的400万倍,但其直径仅为4400万公里,连水星轨道的一半都不到。也就是说,假如把这个黑洞放到太阳的位置,其视界还不到水星轨道的一半。

    也许你会说,这么大啊?已经不小了吧!问题是,银河系中心离我们的距离为26000光年,要想看到这个黑洞,根据科学家们的说法,就相当于我们要从地球上看到月球上的一个柠?#21097;?/p>

    除非我们的眼睛和地球一样大,否则一切免谈!

    即使你的眼睛真的和地球一样大,那也是看不到的,因为在银河系中心黑洞和我们地球之间,横亘着一圈巨大的尘埃环,挡住了我们的视线,否则我们在夜晚仰望星空的时候,黑洞所在的人马座A*会明亮得多。

    似乎一切办法都没有了,人类这个渺小的生命就活该被浩瀚的宇宙忽略,在渺如尘埃的地球上卑微地活着?然而我们是具有高度智慧的生命,我们正在向宇宙规律发起挑战,没有什么是我们不能做到的。

    如何拍摄第一个黑洞?

    由于可见光的波长太短,任何光学观察器?#27169;?#19981;管是我们的眼睛还是天文望远镜,都无法突破这个巨大的星际尘埃环;就像你站在雾中,要想看清遥远的灯光一样,重重浓雾迷蒙了你的视线。

    然而,我们还有一种望远镜,那就是像中国天眼一样的射电望远镜,由于射电波,?#27425;?#38480;电波波长极长,完全可以突破这些尘埃的封锁,“看到”银河系中心的黑洞。就像我们在室内,依然可以收到手机基站传来的无线电波,射电望远镜,也可以接受到来自银河系中心的信息。

    通过多年来的观察,科学家门已经发现,银河系中心区域活跃着大量气体和尘埃,围绕着黑洞高速运行,被加热到了数十亿度,发射出大量的各个波段的辐射。虽然从可见光到X射线的辐射都被星际尘埃挡住了,但无线波段是可以看见的!

    然而单一的射电望远镜,即使是全球最大的中国天眼,也仅仅只有500米的口径,和地球一样大的眼睛比起来,就像萤火虫和太阳相比,完全可以?#27599;?#25746;大帝都陷入无边的绝望之中。

    不过,虽然我们没有地球一样大的眼睛,但我们?#20174;?#26377;超越我?#20999;?#29699;乃至太阳系整个银河系的非凡认知。科学家们发现,如果将分布在世界各地的射电望远镜连接起来,就可借助算法将各个独立望远镜同时观察同一个目标的数据协调起来,形成一个口径等效于地球直径的虚拟望远镜,将其?#30452;?#29575;提高到足以观察黑洞?#24405;?#35270;界尺度结构的程度。

    这个计划被称为?#24405;?#35270;界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT),于2012年在美国亚利桑那州启动,先后有12个国家的30多所大学、天文台及政府和研究机构参与,并在2017年4月,对银河系中心人马座A*和M87星系中心进行了为期10天的全球连线观测。调动的射电望远镜包括智利阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA),南极点的南极望远镜,以及美国、?#20998;?#31561;地共8台望远镜,形成了一个直径超过12000公里的巨大虚拟望远镜。

    由于数据庞大,无法通过网络传输,观测完成后,所有数据都通过?#25165;?#31354;运到美国马萨诸塞州麻省理工学院的海斯塔克天文台,以及德国波恩的马克斯普朗?#35828;?#27874;天?#38590;?#31350;所进行处理,南极的数据甚至等到当年10月冬天过后才运送出来。

    此前想象的拍摄到的第一张黑洞照片(银河系中?#27169;?/p>

    真实的黑洞照片(M87星系中?#27169;?/p>

    最初的预测是去年4月公布有史以来第一张直接?#19978;?#30340;黑洞照片,然而庞大的数据处理量却让计划一拖再拖,直到今天,我们才终于看到室女A星系(M87)中心的黑洞,并且未能看到我们?#32422;?#26143;系中心的黑洞照片,殊为遗憾!

    M87是一个巨大的黑洞,其质?#30475;?#21040;了67亿倍太阳质量,距离我们约5350万光年。由于南极望远镜无法观测到整个黑洞,所以参与拍摄的只有7台望远镜,可能这也是它的质量不是很好的原因吧。希望银河系中心黑洞的照片能够尽快出来,因为在视直径上它会比M87黑洞更大一些,或许会更清晰一些吧。

    今天我们能够看到这张壮观的黑洞照片,可以说已经耗竭了全球科学家们多年来的努力和资源,让我们为科学家们加油喝?#21097;?#20026;人类文明取得的又一个里程碑式的突破欢呼雀跃吧。

  2. 七乐彩走势图(带连线)

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