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科普知识

为黑洞照相照了40年,今晚终于一睹“芳颜”

 

 

今晚,我们将成为第一批“看到”黑洞的人类。

1978年,天体物理学家让-皮埃尔·卢米涅给出了黑洞事件视界的第一幅图像。当然,这不是一张真正的照片,而是他利用自己的数学知识和相关技术以及60年代的一台IBM 7040穿孔卡片计算机对黑洞景象进行的电脑模拟。

 

 

在过去10多年时间里,世界科学家行动起来,开展了激动人心的“事件视界望远镜”(EHT)项目。EHT的“八只眼睛” 位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极,这8个射电望远镜联合起来能够“拼成”一个与地球直径一样大的虚拟望远镜。它们向选定的目标撒出一条大网,捞回海量数据,为我们勾勒出黑洞的模样。在观测结束之后,各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心。在那里,大型计算机集群将会对数据时间进行合并与分析,从而产生一个关于黑洞的图像。这一勾勒用时两年。

 

Question 1: 有关黑洞你了解多少?

“黑洞”一词在1968年由美国天体物理学家约翰·惠勒提出,但其实早在1783年,英国地理学家、牛顿的“小校友”约翰·米歇尔就已经意识到:一个致密天体的密度可以大到连光都无法逃逸。这也是今天的我们对黑洞的最基本认识:吸入所有一切,连光都逃不出来。

它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围,这个势力范围被称作黑洞的半径或事件视界。

天文学家根据质量将宇宙中的黑洞分成了三类:恒星级质量黑洞(几十倍-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)。

 

 

Question 2: 怎么对黑洞照相的呢?

鉴于黑洞自身不发光,还会“吞噬”光,很难直接探测,科学家们只能采用一些间接方式来探测黑洞--比如观察吸积盘和喷流。

在某些时候,恒星量级的黑洞会存在于一个恒星周围,将恒星的气体撕扯到它自己身边,产生一个围绕黑洞旋转的气体盘,也就是吸积盘。当吸积气体过多,一部分气体在掉入黑洞视界面之前,在磁场的作用下被沿转动方向抛射出去,形成喷流。

吸积盘和喷流两种现象都因为气体摩擦,产生了明亮的光与大量辐射,所以很容易被探测到,黑洞的藏身之处也就“暴露”了。

 

 

Question 3: 这次选中的是哪个黑洞呢?

这次的观测目标,一个是银河系中心黑洞人马座A*(Sgr A*),另一个是位于星系M87中的黑洞。

之所以选定这两个黑洞作为观测目标,是因为它们的视界面在地球上看起来是最大的。其它的黑洞要么很小,要么很远,要么又远又小,观测的难度更大。

Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳,所对应的视界面尺寸约为2400万公里,相当于17个太阳的大小。听上去超大的有没有!然而地球和Sgr A*相距2万5千光年(约24亿亿公里),这就意味着,它巨大的视界面在我们看来,大概只有针尖那么小,就像我们站在地球上去看一个放在月球表面的橙子。

M87中的黑洞的质量达到了60亿个太阳质量,尽管与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远,但因为质量庞大,所以它的视界面对我们而言,可能跟Sgr A*大小差不多。

 

这次观测是自从黑洞提出后人类第一次接触真实存在的黑洞,对于黑洞的研究具有划时代的意义。同时,也表明人类智慧又迈进了一大步。

 

 

 

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