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標題:    黑洞的真實面目有可能快“看”到了     點閱:291   2017/8/25 上午 11:43:29
黑洞的真實面目有可能快“看”到了

利維坦按:黑洞形成后,會不斷吸入周圍的物質而導致后者難以被觀測到,因此往往無法僅依靠天文觀測來發現黑洞。宣稱某個星體是黑洞,通常都只給出幾張模糊的照片或部分的數據,黑洞的所有特征無法全面驗證,因此天文數據庫當中,并沒有黑洞,僅有黑洞候選星。比如文中的人馬座A*。按距離26000光年來計算,人馬座A*的直徑約為4400萬公里。

黑洞的真實面目有可能快“看”到了

引力透鏡模擬的黑洞,可看出在星系背景扭曲的圖像

不過我還是對“黑洞信息佯謬”更感興趣一些,霍金曾提出一個假說,他認為,黑洞實際上無法吞噬和消滅物理訊息,就算掉入黑洞,也是可以出來的。只不過,你無法回到我們的宇宙(從本宇宙永遠消失了)……

文/Ron Cowen

譯/楊睿

校對/石煒

原文/news.nationalgeographic.com/2017/04/black-hole-event-horizon-telescope-pictures-genius-science/

本文基于創作共用協議(BY-NC),由楊睿在利維坦發布

黑洞的真實面目有可能快“看”到了

智利沙漠中的阿塔卡瑪大型毫米/次毫米波陣列的一部分,包含66個天線(圖源:NRAO,AUI,NSF)

在銀河系的心臟位置,隱藏著一個龐然大物,被層層“面紗”籠罩著,尚未被人弄清它的真正面目。

直到天文學家結束了五晚的觀測之后,我們也許才終于捕捉到了黑洞的第一張影像。質量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡、死亡后,發生引力坍縮產生黑洞。人類無法直接觀測黑洞,只能通過間接方式了解它的存在和質量,觀測到它對其他事物的影響。因此,黑洞的第一張影像意義重大。

更確切地說,天文學家希望拍攝到的是其實是黑洞周圍的神秘地帶。這個區域被稱為事件視界(event horizon),是一種時空的曲隔界線。在非常巨大的重力影響下,黑洞附近的逃逸速度大于光速,任何東西,即便是光也不可能從事件視界內部逃脫。

黑洞的真實面目有可能快“看”到了

銀河系中心的超大質量黑洞模擬圖(圖源:NRAO,AUI,NSF)

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超大質量黑洞位于銀河系的中心地帶(圖源:NRAO,AUI,NSF)

黑洞的真實面目有可能快“看”到了

地面上的射電天文臺與兩架太空望遠鏡合作,得到了星系中心的影像(圖源:NRAO,AUI,NSF)

天文學家的最后一次觀察結束于2017年4月11日上午11:22,團隊成員文森特·菲什(Vincent Fish)心滿意足地坐在麻省理工學院海斯塔克天文臺的辦公室里。天文臺位于馬薩諸塞州東北部一座名叫韋斯特福德的城市。在過去的一周里,菲什24小時待命,要休息也只能把手機放在身邊、調大鈴聲音量,斷斷續續地小憩片刻。

最后一批數據到達項目觀測站時,菲什在射電天文學家和工程師的聊天專線上看到了蜂擁而至的祝賀之辭。有人評論說,他要開一瓶50年陳的蘇格蘭威士忌。另一個人說他正在享受《波西米亞狂想曲》的振奮和弦。

菲什說:“我很開心,覺得如釋重負。我好期待能睡一整夜的好覺。”

但這種如釋重負的感覺中還夾雜著一些忐忑和期待:龐大的數據需要時間來處理,團隊必須要花幾個月的時間才能真正確定他們付諸的努力取得了成功。

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銀河巨人:美國宇航局的望遠鏡觀測到,在遙遠的星系中心,有一圈恒星環繞在黑洞周圍(圖源:NASA/JPL-Caltech)

荷蘭拉德堡德大學的射電天文學家海諾·法爾克(Heino Falcke)說:“即使第一批影像質量不佳、失敗了,但我們已經可以初次在黑洞的極端環境下,檢驗愛因斯坦重力理論的一些基本預測。”

愛因斯坦革命性的理論于1915年問世,他提出物質會扭曲或彎曲時空的幾何結構,人類以重力的形式感受到這種時空扭曲。存在超大質量黑洞是愛因斯坦理論的首批預測之一。

法爾克表示:“它們是空間和時間的最終終點,可能代表著人類知識的最終極限。”然而,天文學家目前只有間接證據表明:這些超大質量黑洞隱藏在宇宙中各大星系的核心區域。即使是愛因斯坦本人也不確定它們是否真的存在。

根據法爾克的說法,第一批影像將掀開籠罩黑洞的層層“面紗”,“把黑洞從原本神秘的東西轉變成我們可以學習的實體。”

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除了超大質量黑洞之外,天文學家還找到了較輕質量黑洞散布于許多星系的間接證據,包括美國國航局X射線望遠鏡捕捉到的爆發(圖源:NASA, STSCI, Middlebury College, F. Winkler等人)

艱難的氣象觀測

這項工作能取得今天的成果是靠著多年的精心規劃和全球合作。不論是位于夏威夷的最高峰,還是坐落于冰冷的南極凍原,世界各地有八個觀測站參與其中、共同奮斗。這八個天文觀測站的網絡相連,創建了一個和地球一樣寬的虛擬望遠鏡。

凝望無底洞

世界各地威力強大的射電望遠鏡可以同步工作,增強有效分辨率和靈敏度,超越任何的獨立望遠鏡。各設備(稱為“事件視界望遠鏡”陣列)間的遙遠距離實際上提高了陣列的有效性。

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從4月4日開始,在為期十天的觀測時間里,被稱為“事件視界望遠鏡”的天線網絡睜開了它的眼睛,注視著浩瀚宇宙。

望遠鏡瞄準了兩個超大質量黑洞:一個黑洞位于銀河系的中心,重達400萬個太陽,被稱作人馬座A *(Sagittarius A*);另外一個黑洞位于附近星系M87的核心地帶,質量約為前者的1500倍。

此前,事件視界望遠鏡已經探測過這些龐然大物的附近區域,但這是該網絡首次將南極望遠鏡和智利66個天線構成的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波天線陣(ALMA)囊括在內。

阿塔卡瑪天線陣將事件視界望遠鏡的敏銳度提升了10倍,甚至可以看到月球上高爾夫球大小的東西,因而可以拍攝到兩個黑洞附近小到驚人的事件視界。

多年來,天文觀測團隊一直在討論觀測時間,給每個觀測站配備至關重要的電子裝備。但最終,他們在一些人力無法掌控的因素面前束手無策:天氣。

天文學家利用毫米波無線電波來觀察這些黑洞。在這一波長帶上,光可以穿透星系中心濃厚的氣體和塵埃,相對暢通無阻地朝地球行進。

但同時水會吸收并發射無線電波,這也就意味著降水會影響觀測。

為了最大限度地減小降水的影響,射電望遠鏡都架設在高海拔地區:山頂或高原沙漠。但飄來的云、雨或雪仍然會讓天文臺離線,不能正常工作。高海拔地區的強風也會導致望遠鏡關閉。

菲什說:“各觀測點天氣都相當好的幾率幾乎為零。”

在觀測期間,天文學家們只有五個晚上的機會。菲什和同事們每天都要傷腦筋地決定是否要啟動網絡,同時他們還要考慮到每個站點當前的天氣狀況,操心未來幾天的天氣變化情況。菲什留在麻省理工學院的觀測站點,在一個屏幕上持續不斷地監測各站點的天氣情況,在另一個屏幕上與其他天文學家進行溝通。

哈佛-史密松森天體物理中心(位于馬薩諸塞州劍橋)事件視界望遠鏡項目主任謝普·杜勒曼(Shep Doeleman)說:“如果某天晚上你啟動了網絡,結尾卻是(壞)天氣,那實在是一件令人心碎的事。”取消觀測之后,那一晚又是好天氣也很讓人傷心。

不太好看的“花生”

現在,五天的觀測已經完成。天文學家們要經過漫長的等待和幾個月的分析,才能知道他們是否能得出黑洞的影像。

每個天文臺記錄的數據非常之多,無法以電子方式傳輸。所有望遠鏡的信息相當于一萬臺筆記本電腦的存儲容量,已經被記錄在1,024個硬盤上。這些硬盤必須寄到事件視界望遠鏡的加工中心,分別位于麻省理工學院海斯塔克天文臺和德國波恩的馬克斯·普朗克射電天文學研究所。

南極望遠鏡的硬盤要等到冬季結束,也就是十月底才能寄出。

一旦數據到達各個處理中心,一堆服務器將開始運轉,整合八個觀測站帶有時間戳的電波信號。比較和整合無線電波時必須尤其小心,確保在整合時不會遺失事件視界大小、結構的關鍵信息。

整合無線電波的技術在射電天文學中非常常見,被稱為甚長基線干涉測量法(very long baseline interferometry)。但在通常情況下,望遠鏡并沒有這么多,也不會分散在如此廣闊的地區。

杜勒曼說:“我們正在努力讓地球大小的網絡連貫一致,哪怕就是想想也是不可思議的。”

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紫紅色斑點是螺旋星系旋臂中較小黑洞發射的明亮X射線(圖源:NASA,JPL-Caltech,DSS)

天文學家希望在整合所有信號之后,最終能看到一個圍繞在黑暗圓圈周圍的光環——黑洞的影子。新月形的光來自發光的氣體,這些氣體被加熱到數千億度。光環就在黑洞外圍,讓事件視界的區域一目了然。

法爾克說,在一些電腦模擬結果中,光環的一邊可能比另一邊更亮更厚,就好像“一顆長得不夠好看的花生,不能贏得任何花生選美大賽”。

即使這次的觀測無法生成黑洞的影像,杜勒曼和同事們也已經計劃明年再試一次,構建一個更大的射電望遠鏡網絡。

法爾克說:“在接下來的十到五十年時間里,我們要將望遠鏡網絡擴展到非洲,最終進入太空,我們要得到非常清晰的影像。”

吞噬一切的龐然大物

雖然黑洞的名字意味著一無所有,但它實際上是宇宙中密度最大的物體,它們有巨大的引力。大質量恒星核心重力塌縮形成恒星黑洞,可以把十個太陽壓縮成一個紐約城的大小。位于星系中心的超大質量黑洞相當于數十億個太陽。黑洞的起源仍然是一個未解之謎。

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人馬座A *(圖源:Jason Treat和Alexander Stegmaier,NGM工作人員;圖片處理Mark A. Garlick)

1974年,科學家發現了一個非常緊密的無線電波波源。它來自人馬座的一個區域,距離地球26,000光年,被稱為人馬座A *(Sgr A *)。現在已知這個波源是位于我們星系中心的一個超大質量黑洞,質量超過400萬個太陽。

1.奇點(The Singularity):根據愛因斯坦的方程,在黑洞的中心,恒星的整體質量已經塌陷成一個無限密集、無尺寸的點。這就是奇點。奇點可能并不存在,但它其實是我們對重力的理解中一個數學意義上的洞。

2.事件視界(Event Horizon):事件視界圍繞人馬座A *延伸的距離約800萬英里,在這一邊界之外,即便是光也無法逃脫黑洞的重力。

3.靜態極限(Static Limit):黑洞旋轉可以扭曲空間,讓附近在軌道上運轉的物體加速或減速。靜態極限是指軌道上的物體以光速運轉,方向與黑洞旋轉的方向相反,物體保持相對靜止。

4.吸積盤(Accretion Disk):過熱氣體和塵埃可能在人馬座A *周圍以近乎光的速度旋轉。吸積盤發射熱量、無線電噪聲和X射線耀斑,但這個吸積盤和其他星系中的吸積盤相比要更加溫和。

5. X射線噴射(X-Ray Jets):雖然今天的人馬座A *看起來一片平靜,但在兩萬年前它可能吞噬了質量是太陽一百倍的一顆恒星或星云。這次吞噬讓黑洞的兩極向外噴射出X射線,這些射線與星系的平面成15度角。

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兩星系相撞,掃過超大質量黑洞的爆發,照亮了多個波長(圖源:NASA,CXC,SAO,R.van Weeren等人)

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哈勃太空望遠鏡捕捉到的,從星系中心的超大質量黑洞中噴出的高速粒子噴射流(圖源:NASA,ESA,STSCI)

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NASA望遠鏡從目前觀測到的最強大的超大質量黑洞之一附近捕獲了X射線,這個黑洞距離地球約39億光年(圖源:NASA,CXC,Stanford,J.Hlavacek-Larrondo等人)

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“利維坦”(微信號liweitan2014),神經基礎研究、腦科學、哲學……亂七八糟的什么都有。反清新,反心靈雞湯,反一般二逼文藝,反基礎,反本質。

投稿郵箱:wumiaotrends@163.com

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