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首张黑洞照片:有情结,更有历史意义

作者:未知

   这注定是一个值得记住的时刻。北京时间4月10日21时,人类有史以来捕获的首张黑洞照片公之于世,长久以来“活在传说中”的黑洞终于显露真容。
  这是人类第一次真真切切地“看”到黑洞。这张来之不易的黑洞照片,揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。这一黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。这一图像的捕获意味着,百年之前的爱因斯坦广义相对论得到了首次试验验证。这不仅是人类难以抑制的仰望星空的情结,更具有极大的历史性意义。
  神秘的黑洞背后有着太多秘密等待揭示,令一代代科学家为之着迷。黑洞涉及人类对宇宙的根本了解,它之所以重要,是因为它在长时间尺度上影响宇宙演化。但人们并没有完全了解黑洞如何吞噬物质,然后又将其中一部分以接近光速向外喷射,影响所在星系。
  黑洞,从预言走到眼前
  1915年,爱因斯坦发表了广义相对论,以其天才的想象力预言了“黑洞”的存在。在此次拍照前,科学家们通过各种间接证据来表明黑洞的存在:其一,恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞的强引力会对周围的恒星、气体产生影响,可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在;其二,根据黑洞吸积物质(相当于“吃东西”)发出的光来判断黑洞的存在;其三,通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。
  中国科学院上海天文台台长沈志强告诉记者,“黑洞是一个特殊的天体,也是一种非常简单的天体,要描述它无非弄清楚三个指标:质量、电荷和自转”。天文学家们将宇宙中的黑洞根据质量分成三类:恒星级质量黑洞(几十倍至上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。黑洞的势力范围,称作黑洞半径或事件视界。
  广义相对论预言,由于黑洞的存在,人们将会看到中心区域存在一个由于黑洞视界而形成的阴影,周围环绕一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。黑洞阴影则是人类能看到的最接近黑洞本身的图像。
  在天文学家捕获的首张黑洞照片中,黑洞仿佛沉浸在一片类似发光气体的明亮区域中。“我们预期黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域。这正是爱因斯坦广义相对论所预言的,这个暗影的形成,源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获。暗影揭示了黑洞这类迷人天体的很多本质,也使得我们能够测量M87中心黑洞的巨大质量。”
  给黑洞拍照有多难
  給黑洞拍照到底有多难?有人这样比方,“就像我们站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子。”
  用什么样的“相机”才能实现给黑洞拍照的宏大计划?这一次的阵容堪称“地球级别”。全球科学界将分布在世界各地的8个射电望远镜(阵)“组合”起来,形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜,所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。可以说,正是全球科学界同步的努力,让人类拍摄到有史以来首张黑洞照片。
  这一次给黑洞拍照到底有多精确?达到的分辨率约20微角秒。“相当于在巴黎的一家路边咖啡馆,可以读到纽约的报纸。”2012年就已参与黑洞观测的中国科学院上海天文台研究员路如森打了这样一个比方。
  虽然这些射电望远镜没有实际连接,但借助氢原子钟精确计时,各台望远镜实现了数据记录的同步。
  全球科学界合作的典范
  参与此次事件视界望远镜(EHT)大型国际合作项目的科研人员达200名之多,其中,来自中国大陆的学者有16人,分别来自上海天文台8人、云南天文台1人、高能物理所1人、南京大学2人、北京大学2人、中国科学技术大学1人、华中科技大学1人。另外,还有部分来自中国台湾地区的学者。
  “在捕获首张黑洞图像的过程中,中国科学家做出了极具国际显示度的工作。”沈志强自豪地说。他告诉记者,我国科学家长期关注高分辨率黑洞观测和黑洞物理的理论与数值模拟研究,在EHT国际合作形成之前就已开展了多方面工作。
   具体来说,中国对该项目的贡献主要在于提供资金支持、电脑建模以及数据分析等方面,而这些都不是简单就能完成的工作,报道透露,EHT阵列的观测只持续了几个小时,但后期研究人员花费了近一年时间才将碎片化的图像拼合成一张完整、可信赖的黑洞照片。(综合《光明日报》4.11、《参考消息》4.10)
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