第一張黑洞圖片如何獲得？8個望遠(yuǎn)鏡和數(shù)百萬次模擬

事件視界望遠(yuǎn)鏡捕捉到了M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的圖像

北京時間4月11日消息，一個多世紀(jì)以前，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，而現(xiàn)代物理中的黑洞理論正是建立在該理論的基礎(chǔ)上。近幾十年來，天體物理學(xué)家已經(jīng)為這些神秘天體找到了壓倒性的證據(jù)。他們觀察到黑洞對鄰近恒星和行星軌道的作用；他們“聽”到了來自黑洞碰撞產(chǎn)生的振動，即時空漣漪——引力波。但直到現(xiàn)在，他們才“親眼看到了”黑洞。4月10日，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）國際合作項目的天體物理學(xué)家宣布，他們首次捕捉到了黑洞的圖像。

這張圖片拍攝于2017年4月，是由事件視界望遠(yuǎn)鏡合作項目在全球使用8臺望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的為期5天的觀測結(jié)果。圖片描繪了圍繞室女座星系團中超大質(zhì)量星系M87中心一個超大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)的發(fā)光氣體。M87是一個距離地球5400萬光年的星系。然而，黑洞的特征“事件視界”隱藏在明亮的光線之后，那里是時空深淵的邊緣。那里的引力是如此之強，以至于連光線都無法逃脫。亞利桑那大學(xué)的費婭爾·厄澤爾（Feryal Ozel）是事件視界望遠(yuǎn)鏡合作項目的成員之一，她說:“這是一個沒有反光的點?！痹趫D像中，事件視界呈現(xiàn)為“光的突然消失”。

此前，研究人員曾在M87黑洞的預(yù)測位置捕捉到一團噴射出來的光，但由于觀測儀器遠(yuǎn)沒有事件視界望遠(yuǎn)鏡那么銳利，他們無法確切地看到黑洞。“這就像從一個廉價的智能手機攝像頭換成了一個高清IMAX影院，”哈佛大學(xué)的天體物理學(xué)家安德魯·斯特羅明格（Andrew Strominger）說道。他沒有參與這項工作。

這個黑洞的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的65億倍。盡管如此，從地球上較有利的位置看，它依然非常微小，在天空中只有50微弧秒寬，就相當(dāng)于看一個放在月球上的甜甜圈。它需要8個不同的望遠(yuǎn)鏡才能成像。望遠(yuǎn)鏡收集的觀測數(shù)據(jù)以十億分之一秒的精度同步。

為了看清黑洞的明暗邊界，天體物理學(xué)家們捕捉到了無線電波——人類肉眼看不見的1.3毫米波長的光，由環(huán)繞黑洞旋轉(zhuǎn)的氣體發(fā)出。這些氣體發(fā)出各種波長的光，包括可見光，但研究人員選擇了這一特定波長，因為它可以在不被吸收的情況下穿過整個星系，甚至穿過地球大氣層。不過，要想在所有8個望遠(yuǎn)鏡所在的地點看到黑洞，還是需要良好的天氣。費婭爾·厄澤爾表示，在開啟望遠(yuǎn)鏡之前，他們必須監(jiān)測空氣中的濕度，過高的濕度會破壞成像效果。為了減少雨水的影響，研究人員在干燥地區(qū)建造了望遠(yuǎn)鏡，包括南極洲的南極點和智利的阿塔卡馬沙漠。

南極望遠(yuǎn)鏡是拍攝黑洞圖像所用的8個射電望遠(yuǎn)鏡之一

M87黑洞離地球相對較近，望遠(yuǎn)鏡接收到的光是它在5400萬年前發(fā)出的，所以我們看到的它正處于一個相對更成熟的階段?！霸谟钪婺挲g的這個節(jié)點，黑洞已經(jīng)平靜下來，”費婭爾·厄澤爾說，“它們基本上是在吞噬來自附近恒星的氣體?！盡87的黑洞確實釋放出明亮的氣體噴射，但與更遙遠(yuǎn)的年輕黑洞相比，它仍然顯得相當(dāng)暗淡。這些較年輕的黑洞積累了大量的物質(zhì)，所以它們的發(fā)光氣體漩渦更加明亮。

拍攝這張照片花了20年的時間。這項工作的一部分是設(shè)計、建造和將各種硬件運送到不同的望遠(yuǎn)鏡地點。另一方面，科學(xué)家也必須通過盡可能精確地確定黑洞的物理性質(zhì)，來預(yù)測他們可能看到的東西。自2000年研究生時代起，厄澤爾就一直致力于拍攝黑洞。她表示，他們已經(jīng)對黑洞進(jìn)行了數(shù)百萬次模擬，每個黑洞都有不同的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)速度、方向以及其他特征。這些模擬有助于他們了解應(yīng)該如何設(shè)計望遠(yuǎn)鏡，以及應(yīng)該將望遠(yuǎn)鏡指向何處。

為了捕捉和解讀第一張黑洞圖片，科學(xué)家進(jìn)行了數(shù)百萬次這樣的模擬

不過，研究人員并不只是在追求漂亮的圖片。在宇宙中，黑洞是已知最極端的實體之一。眾所周知，黑洞將大量的質(zhì)量聚集在一個點上，使得它實際上成為一個密度無窮大的物體。這種密度產(chǎn)生了巨大的引力，沒有人能看到它的內(nèi)部。厄澤爾說:“它們是宇宙中唯一能創(chuàng)造出宇宙其他部分無法到達(dá)的時空區(qū)域的物體。”正是因為黑洞如此極端，研究人員才迫切想要了解它們的特征，看看它們是否與廣義相對論的其余部分吻合。“我們都覺得自己對空間和時間有一種直覺，但愛因斯坦告訴我們，這種直覺只有在我們已經(jīng)習(xí)慣的情況下，也就是引力場非常弱的情況下才會成立，” 斯特羅明格說，“當(dāng)引力場變強時，會發(fā)生各種各樣瘋狂的事情。”

迄今為止，研究人員所觀察到的關(guān)于M87黑洞的一切——它的質(zhì)量和事件視界大小——都與愛因斯坦的理論相一致。但未來更詳細(xì)的觀察可能會揭示出意想不到的特征。斯特羅明格希望看到類似M87這樣快速旋轉(zhuǎn)的黑洞的圖像。根據(jù)理論計算，如果黑洞旋轉(zhuǎn)得足夠快，它們就會在時空中形成一個蟲洞。未來的黑洞圖像可能有助于證實或駁斥這些假設(shè)。斯特羅明格期待著有一天，當(dāng)圖像足夠清晰時，我們可以看到一個黑洞及其相關(guān)的蟲洞?！斑@真的是非常，非常奇特而科幻的東西，而我們可能有朝一日將看到它，”他說。

厄澤爾說，這張照片僅僅是個開始。研究人員計劃把望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向其他黑洞，收集完整的黑洞圖像簿。他們還計劃對這個黑洞拍攝更多、質(zhì)量更好的圖片，以便更詳細(xì)地了解它的特征和行為。（任天）

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