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人类首次“看到”了黑洞

作者:未知

  现场直击
   2019年4月10日,在美国华盛顿,“事件视界望远镜”项目(EHT)和美国国家科学基金会举行新闻发布会,神秘天体黑洞首张照片发布,照片“主角”是室女座超巨椭圆星系M87中心的超大质量黑洞,其质量是太阳的65亿倍,距离地球大约5500万光年。照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构,看上去有点像甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“阴影”,明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘。
   除华盛顿外,中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔和日本东京等地也同时召开发布会。美国《天体物理学杂志通讯》以特刊形式通过6篇论文发表了这一重大成果。
  事件回顾
   自上世纪中期开始,人们就一直在探寻黑洞的秘密。200多年前,英国的米歇尔和法国的拉普拉斯就曾提出: 一个质量足够大但体积足够小的恒星会产生强大的引力,以致连光线都不能从其表面逃走,因此这颗星是完全“黑”的。
   1915年,爱因斯坦在广义相对论中最先预言了黑洞的存在。在他的推论中,黑洞是一种质量巨大、引力极强的天体,可以吸收周围一切外来物质和辐射,连人类已知传播速度最快的光都无法逃脱。理论上,黑洞无法被观察,但黑洞的阴影——“事件视界”却可以。科学家们将光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的区域称作黑洞,将其边界称作事件视界。
   2006年,“事件视界望远镜”项目启动。2017年4月,来自全球30多个研究所的200多位科学家利用分布于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的8个射电望远镜(单镜及阵列),正式开启观测人马座A*和M87黑洞。
   观测黑洞实际上应该仅用了5天左右,但由于观测到的黑洞数据量巨大,世界各地的望远镜的数据无法通过网络来传输数据,只能靠人带着一千多个硬盘飞来飞去,对数据进行汇总之后再作分析,这耗费了大量时间。
   公开资料显示,在2017年4月份的观测中,每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s,8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据(相当于350万部电影)。EHT采用专用硬盘来记录数据,再把硬盘送回数据中心进行处理。之后,研究人员用超级计算机矫正电磁波抵达不同望远镜的时间差,并把所有数据做互相关综合处理,从而达到信号相干的目的。由于在南极有极昼极夜现象,如果刚好遇到极昼现象,那至少会有半年时间飞机无法航行,就无法把参与EHT项目的“南极望远镜”的数据运输出来。所以仅仅冲洗照片就花费了两年的时间。
  探索未来
  狂欢之后的深思
  刘 霞
   黑洞的故事远没有结束,狂欢之后,我们应该明白,这几个与黑洞有关的重要问题仍悬而未决。
  黑洞巨大的热、快物质喷流如何产生?
   所有超大质量黑洞都能吞噬附近物质,吸收穿过黑洞事件视界的物质,并以接近光速的速度将其余物质喷射到太空中,天体物理学家称之为“相对论性喷流”。比如,此次事件视界望远镜的拍照“模特”M87星系中心黑洞就因其令人印象深刻的喷射而声名显赫,它喷射的物质和辐射遍布整个太空。它的“相对论性喷流”如此庞大,以至于它们可以完全逃离周围的星系。
   物理学家知道这种情况是如何发生的:在物质落入黑洞的引力井时,物质被加速到极快速度,然后其中一些物质“逃之夭夭”。但他们对这种情况发生的细节持不同意见,而最新“出炉”的这张图像及相关文件尚未提供任何详细信息。
   要想弄清楚这些细节,需要将覆盖相当小范围的事件视界望远镜观测结果与更大的相对论性喷射图像结合在一起考虑。而且,随着位于银河系中心的超大质量黑洞的图像问世,我们可能会获得不少答案。因为银河系中心超大质量黑洞不像M87星系中心黑洞那样产生喷流,所以,比较两张图像可能会厘清一些问题。
  广义相对论和量子力学如何统一?
   每当物理学家聚在一起谈论一个真正令人激动的新发现时,可能都会有人说:这一新发现或许有助于解释“量子引力”。量子引力是物理学领域最大的未解之谜,是物理学江湖中的屠龙刀——得之可得天下。
   大约一个世纪以来,物理学家使用两套不同的规则来解释万事万物:他们用广义相对论来解释诸如引力这样的大事;用量子理论来解释非常小的事物。问题是,这两套规则难以统一。因为量子力学无法解释引力;而相对论无法解释量子行为。
   那万有引力和量子理论彼此之间就真的“水火不容”吗?物理学家们并不这样想,他们希望未来有一天,创建出一个大一统理论,将这两者囊括其中,而这个未问世的大一统理论可能涉及某种量子引力。
   在首张黑洞图像宣布之前,有科学家猜测,它可能会在此问题上取得些许突破。
   但新图像并没有提供可能缩小两个领域之间差距的新物理学。人们希望从新图像中获得答案这一想法合情合理,因为黑洞阴影的边缘将引力带入微小的量子空间。我们有望在非常非常接近事件视界的地方,或者在宇宙非常非常早期之时,看到量子引力。
  霍金的理论和爱因斯坦的理论一样正确吗?
   在物理学家职业生涯的早期,斯蒂芬·霍金对物理学的最大贡献是“霍金辐射”理论。该理论认为,黑洞实际上不是黑色的,随着时间的推移,它会发出少量辐射。这一点非常重要,因为它表明,一旦黑洞停止生长,它将开始因为能量损失而非常缓慢地收缩。
   事件视界望远镜没有证实或否认这一理论。像M87星系中心黑洞那样的巨型黑洞,与其庞大的体型相比,其发出的霍金辐射可谓“九牛一毛”。虽然我们目前所拥有的最先进的设备可以探测到这些黑洞事件视界的明亮光线,但几乎无法看清超大质量黑洞表面的超暗闪光,因此,也很难发现其辐射。
   最微小的黑洞可能是获得这一答案的关键。这些最微小黑洞是一些“短命”的天体,其體型小到你可将其整个事件视界握在手中。而且,与这种微小黑洞的体型相比,其辐射相对较多。    人类最终有可能会弄清楚如何制造或找到一个这样的黑洞并且检测到其辐射,从而验证霍金理论的正确性。
   黑洞恍如一位遁世的隐者,身上背负着诸多有关宇宙的奥秘,在惊鸿一瞥后,对其进行深入研究,将揭示更多秘密,让我们更好地了解宇宙、了解我们自身。
  (选自《科技日报》2019年4月12日)
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  捕获首张黑洞照片的事件视界望远镜有何特殊之处?
   这些望远镜都是在亚毫米波波段,通常需要在海拔比较高的地方来减少大气中水气对于亚毫米光子的影响。比如说位于智利的ALMA望远镜的海拔就有5000多米,这些分布于全球不同地方的望远镜通过所谓的甚长基线干涉技术(VLBI)连成一个虚拟网络,构成了一个口径达到一万公里的望远镜,VLBI技术是实现成像观测的关键。
  给黑洞拍照时,我们在拍些什么?
   黑洞本身不发光,但是黑洞周围通常都会有一个吸积盘,吸积盘有比较强的辐射或者说它是发光的,所以在明亮吸积盘的衬托之下,黑洞就会产生一个所谓的黑洞阴影。这次的观测就是通过观测黑洞本身及其临近区域,看到黑洞的阴影。
  黑洞吸进去的东西都去哪里了?
   在被吞噬的过程当中,物质首先会被撕裂成一些最基本的粒子,然后很可能在黑洞的内部又进一步发生其他的物态变化,具体会发生什么,我们并不是特别清楚。经典的理论认为,掉到黑洞里的物质都会朝着中心的奇点运动,最后会聚集在那里。随着聚集的物质越来越多,质量也会变得越来越大,黑洞的半径也会变得越来越大。
  拓展阅读
  当全世界同望星空,黑洞也“发光”
  郭 爽
   观测黑洞项目,让地球上几乎所有这一领域的研究人员都不同程度地以不同方式参与其中。科学探索,正让整个世界以不同寻常的方式更紧密地连接在一起,不仅让地球,也让人类成为一个共同体。
   无论是对黑洞概念懵懵懂懂的早期天文学家、发表广义相对论的爱因斯坦、获得黑洞存在证据的引力波项目团队,还是今天共同拍摄黑洞照片的各国科研人员,让人类持续探索并不断取得进步的动力之一,正是人类作为一个共同体对宇宙和自身的好奇心。
   探索未知,是人类拓展自身疆界的重要过程。天文学的进步,也同时推动数学、物理学、化学、计算机等多个学科并肩前行。而只有多领域、多学科并行发展,更大尺度地拓展国际合作范围,更深入地探索国际合作模式,人类探索未知的视野才可能变得更加开阔。
   无论仰望星空,还是审视自己,当地球上的人们全体凝视同一方向,如同黑洞这样曾经深藏不露的未知,也终将一个接一个“显露光芒”。
  (選自“新华网”2019年4月10日)
论文来源:《作文周刊·高考版》 2019年19期
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