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人類第一次給黑洞拍了照片,這件事為什么這么難?

2019-04-10
來源:新發現雜志

   無論怎樣看, 這個名為“事件視界望遠鏡”(Event Horizon Telescope,簡稱 EHT)的項目都顯得不太靠譜,這些天文學家絕不可能成功。

  可事實上,黑洞的照片從未像現在這樣觸手可及!是的,就是黑洞,這令天文學家和好萊塢場景設計師都無比著迷的神秘天體,我們終于可以看到它們的真面目了。

  這堪稱一場史無前例黑洞“攝獵”,共有近百名科學家、工程師和技術人員參與其中,調動了散布于全球的 9 個天文臺的力量。眾人關注的目標名為人馬座A*。這個黑洞位于人馬座方位(它由此得名),距地球約 2.6 萬光年,相當于 24.6億億千米。是的,就是這么遠!因為人馬座 A* 處于銀河系的中心,而地球位于銀河系的“郊區”(確切地說位于獵戶旋臂上),所以肯定隔著一大段距離。  

 

圖為人馬座 A*,也就是位于銀河系中心的黑洞,這實際上是事件視界望遠鏡項目團隊用計算機模擬生成的圖像。科學家希望到近期能夠獲取真正的黑洞照片。

圖為人馬座 A*,也就是位于銀河系中心的黑洞,這實際上是事件視界望遠鏡項目團隊用計算機模擬生成的圖像。科學家希望到近期能夠獲取真正的黑洞照片。

 

  這個遙遠的距離是一大難題。因為盡管要拍攝的這個黑洞體積頗為龐大——直徑約為太陽的 20 倍,但隔了那么遠,它就會顯得非常小。觀測的難度相當于人在地球,卻要在月球表面尋找一枚硬幣。但距離還不是該項目遇到的唯一障礙。拍攝對象本身就帶來了難題。

 

  顧名思義,黑洞是黑的。而太空背景也是黑的。換句話說,我們要在黑色的背景中找出黑色的圓點。這對比度太有挑戰性了,不是嗎?

  仿佛上述這些還不夠麻煩似的,人馬座 A* 周圍還存在著大量塵氣云,就如同一片大幕把舞臺遮得嚴嚴實實,擋住了我們觀察的視線。這些困難疊加在一起,的確令人氣餒。不過,參與“事件視界望遠鏡”項目的科學家已做好了迎難而上的準備。  

  位于阿爾卑斯山的北方擴展毫米波天文臺(NOEMA)參與了對黑洞的拍攝。該天文臺于 2014 年投入使用,共有 9 臺射電望遠鏡。圖中所示是天文臺 2019 年的規劃,屆時將建成全部 12 臺直徑 15 米的射電望遠鏡。

 

  你也許會問:他們要用什么儀器觀測呢?事實上,目前任何一臺天文望遠鏡都不具備所需的超高分辨率。為此,天文學家調動了位于世界各地的 9 個天文臺,并使用了一種復雜的方法——干涉測量法。  

  簡單地說,我們可以把來自兩個天文臺的圖片疊加起來合成一張圖片,以未必完全精確的方式逼近一臺鏡片直徑相當于地球直徑的巨型望遠鏡的成果!而之所以要調動位于世界各地的 9 個天文臺,則是為確保每時每刻至少有兩臺這樣的巨型望遠鏡對準黑洞。

 

  不過,如前所述,科學家還面臨兩個主要障礙:首先是如何透過塵氣云的“幕布”觀察黑洞,其次是如何在黑色背景中識別黑洞。但事實上,這兩個難關可能已經同時被克服了。要想知道為什么,我們需要首先普及一下關于黑洞的一般知識。

  別指望能看到黑洞的表面:按照黑洞的定義,任何光線都無法逃脫黑洞的引力。因此黑洞在理論上是無法被看到的。然而,我們可以觀察黑洞的“事件視界”,那是我們能夠靠近黑洞而不被吸進去的最近距離。  

  事件視界望遠鏡項目同樣在關注M87 星系的黑洞,即圖中人工上色處。M87星系黑洞距地球 5300 萬光年,比人馬座 A* 遠得多,但質量千倍于后者,且活躍得多。觀測結果定會十分引人入勝。

 

  有些時候,氣體云會離黑洞太近,于是在后者巨大引力作用下,氣體開始圍繞黑洞旋轉,形成一個物質盤。氣體因摩擦而被加熱,發出強烈的輻射。它的旋轉速度會越來越快,直至穿越事件視界,永遠地消失在黑洞中。 事件視界望遠鏡要觀察的, 正是那圍繞著黑洞輪廓的碟形光環。

  是的,但我們首先要想辦法掀開那層幕布,因為塵埃會阻擋可見光。幸運的是,圍繞黑洞旋轉的碟形光環不僅發出可見光,它還會輻射出大量 X 射線、紫外線,甚至射電波。這三種輻射在本質上與光線相同,只是我們無法看到它們,因為人眼缺乏相應的感受器。人馬座 A* 的射電輻射特別強大,事實上人們在 1990年代開始懷疑其存在也正是因為其發出的射電輻射。射電波有著“穿透”塵埃的能力。  

  這是哈勃太空望遠鏡對銀河系中心的紅外線觀測。圖片顯示了人馬座A*附近區域的x射線,這是銀河系中心的超大質量黑洞。

 

  為什么會這樣? 要知道,光具有波的性質,就像海浪那樣。 想象海中有座小島,通常情況下,海浪會拍打在海島的沙灘上,但當發生海嘯時,小島就無法擋住巨浪了,浪頭會越過小島繼續前進。射電波穿越塵氣屏障的原理與此類似。射電波的波長介于幾毫米到幾厘米之間,遠大于塵埃微粒和氣體分子,因此可以輕松地穿透它們繼續向外傳播。相反,可見光的波長要短得多(小于萬分之一毫米),故而無法穿透塵埃。

  為了拍攝黑洞的玉照,天文學家將收集毫米級波長的射電信號,因為它們能夠比較不受阻礙地在宇宙空間穿行。所以嚴格地說,科學家想要獲得的并不是傳統意義上的“照片”,而是用“無線電之光”成像的照片。  

  但請別失望,射電圖像也可以和光學照片一樣美麗:科學家會將各種顏色賦予不同波長的電波,從而將其“轉化”成可見光圖像。就像我們用紅外成像檢驗房屋的保溫性能一樣:雖然紅外線是肉眼不可見的,但計算機能根據不同位置的紅外線強度,相應地給出紅、藍、白等顏色。總之,我們可以很容易地獲得漂亮的圖像。

 

  當然,科學家拍到這張照片后絕不會僅僅把它裝進鏡框掛起來就完事。他們會借此機會驗證這幾年來建立的黑洞計算機模型是否正確。尤其重要的是,可以驗證黑洞的質量(目前估計為太陽質量的 400 萬倍)、直徑以及自轉速度等指標。那么,什么時候能看到這張照片呢?別急,2017 年 4 月,該項目對黑洞進行了 10 天的拍攝。由于數據量極為龐大,它們無法通過網絡傳送,因此被儲存在硬盤里,送往德國馬普研究所和美國麻省理工學院處理。預計我們很快就能看到初步的成果。

  這僅僅是一個開始!為了觀測黑洞周圍物質盤的演化,事件視界望遠鏡項目將連續五年對人馬座 A* 進行拍攝。靜止圖像將變成動態影片……這影片雖然未必會像《星際穿越》中那么令人嘆為觀止,但要真實得多。

  撰文 Fabrice Nicot

  編譯 王師

[責任編輯:蔚然]
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