黑洞,原来你长这样

2019-04-11
天佑 评论
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本文转自微信公众号:科普部落

以上便是北京时间今晚 9 点由多国科研人员合作的「事件视界望远镜」(EHT)项目发布的人类有史以来获得的第一张黑洞照片,而在这张照片背后,是人类对黑洞持续了一个多世纪的探索。

1915 年,爱因斯坦发表了广义相对论,提出引力可被视为时空扭曲。通过计算引力场方程,可以得出当一个物体的密度足够大时,它就能隐藏在事件视界(event horizen)之内,而在这个事件视界之内,引力强大到连光都无法逃脱,因此从外面看,它就像是一个本身并不发光的「黑洞」,以上也便是黑洞存在的理论基础。

▲黑洞周围的时空扭曲示意

不过即使黑洞本身漆黑一团,在之后的 100 多年里人类还是通过间接的方式得知了黑洞确实存在(比如因引力透镜效应,黑洞后方天体发出的光线会发生偏转从而可以在地球上被观测到),也发现了几乎所有星系的中心均存在几百万甚至是几十亿倍太阳质量的黑洞,但我们都从未直接观测到过黑洞。

▲我们此前对于黑洞的认知都是基于理论而进行的合理推论,图为《星际穿越》里的「卡冈图雅」黑洞

至于无法直接观测到黑洞的原因,主要是以人类目前的科技水平,根本不可能发射探测器去近距离探测并拍摄这样一种引力如此强大且距离如此遥远的天体的照片;而如果用地球上或者轨道上的望远镜直接观测,由于前文提到黑洞是一种密度极大的天体,就算它的质量极大,它的实际体积相较它离地球的距离来说也是太小了(像是位于银河系中心的黑洞人马座 A 星,它距离地球约 25000 光年,质量是太阳的 430 万倍,直径却只有太阳的 17 倍,若使用哈勃望远镜直接观测,它的分辨能力需要提升 1000 倍才能满足要求)。

▲之前对人马座 A* 进行的观测成像,图自:NASA

当然,聪明的科学家们也是想出了替代方案——「事件视界望远镜」(EHT)项目。简而言之,EHT 就是通过将西半球不同地区的 8 组射电望远镜组成网络,并用几亿年误差不超过 1 秒的原子钟同步校准,联合起来对位于银河系中心的人马座 A 星及 M87 星系中心更大更远的黑洞进行观测。这就相当于让 EHT 的口径达到了地球直径的大小,观测能力大大提升。

不过由于观测期间所测得的数据量过于庞大(相当于 10000 太电脑存储的数据量),不可能用网络进行传输,因此 EHT 的每台望远镜都只能使用独立的硬盘记录观测数据,然后再通过飞机运送至数据处理中心。这么复杂的操作也导致 2017 年开始进行的 EHT 项目直到今天才最终得到一张可视图像。

以上便是这人类首张黑洞照片得来的整个过程。

其实从今天的这张图像也不难看出,目前的分辨率仍然还不太高,甚至是对于看惯各种高清概念图的我们来说会有种「这样就完事了?」的感觉。然而科学探索不正是如此:黑洞从假说到间接得知它的存在,从探测到双黑洞合并形成的引力波到今天实际拍摄到黑洞的影像......这一点点的进步不仅仅是人类的认知边疆在不断扩大的证明,更是我们打破对宇宙的幻想,建立科学理性认知的必由之路。

黑洞,原来你长这样