史上第一張黑洞來了!這件事為什麼那麼重要?

愛範兒 於 11/04/2019 發表 收藏文章

人類史上第一張黑洞照片來了。


4 月 10 日 21 點,「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT)項目在全球六地布魯塞爾、聖地亞哥、上海、台北、東京、和華盛頓同時召開了發佈會,正式公佈了這項劃時代的重大成果。

此次項目由全球多個國家和地區的 200 多位科研人員組成,是一個以觀測銀河系中央特大質量黑洞為主要目標的計劃,觀測核心就是銀河系中心黑洞人馬座 A* M87 橢圓星系中心黑洞,此次發佈的,就是後者的黑洞圖像。


▲ 上海新聞發佈會現場

從照片可以看出,黑洞就像一個黑色球體,中心闇弱部分為「黑洞陰影」,而周圍的環狀不對稱結構是由於強引力透鏡效應和相對論性射束(beaming)效應造成的。

因為黑洞不停在旋轉,讓它的圖片看起來就像是一個不對稱的發光漩渦。

而説到黑洞,你腦海裏可能出現的就是「幽暗不見底」和「萬物皆可吸」。

首先,黑洞不是洞,是天體。作為最神祕的預言宇宙天體之一,黑洞質量極大密度極高,周圍會產生巨大的引力場,它附近所有物質都難逃一吸,連宇宙中傳播速度最快的光,也無法在黑洞中完成它的出色射程。


▲ 黑洞的藝術構想圖

而黑洞周圍引力巨大的區域,就被稱為「事件視界」,只要跨過這個邊界,一切物理定律在此都會失效,「事件視界望遠鏡」拍攝的就是兩個黑洞的這一部分。

1915 年,愛因斯坦在廣義相對論中最先預言了「黑洞」,1968 年,美國天文學家惠勒正式提出黑洞「black hole」的名詞,雖然之後也出現過一些黑洞的間接影像可以證明它身處星河之中,但沒人見過黑洞的真正樣貌。


▲ 黑洞圖像的的模擬、測量、和重建,圖片來自:Katie Bouman and Jason Dexter

100 多年後的今天,人類第一次能夠直接確認黑洞的存在。

同時,科學家也表示,該圖像的特徵和愛因斯坦的廣義相對論完全一致,進一步驗證了它的正確性。


多麼幸運,我們成為了第一批目睹黑洞真容的人類,也可能是宇宙中第一批親眼看見黑洞的碳基生物。

黑洞照片是怎麼拍出來的?

從洪荒時代起,人類就從未停止過對頭頂神祕星空的眺望。

2017 年 4 月,「事件視界望遠鏡」開始捕捉黑洞「事件視界」的清晰圖像。這次「事件視界望遠鏡」的觀測行動,可以説是史上最難的星際觀測項目之一。


▲ 圖片來自:美國哈佛 – 史密森天體物理學中心網

首先,人馬座 A* 距離地球 2.6 萬光年之遙,質量約等於 400 萬個太陽,視界半徑約 2400 萬公里,而 M87 中心距離地球 5500 萬光年,約等於 64 億太陽質量。按科學家的説法,單給人馬座 A* 拍照的難度就差不多等於「給月球表面的一個蘋果拍照」。

其次,拍攝技術、拍攝時間、拍攝位置都讓項目研究變得更加舉步維艱。

於是,研究人員決定將分佈在全球各地、橫跨南北半球的 8 個射電望遠鏡聯合起來,組成一個相當於地球最大直徑的大型虛擬望遠鏡進行觀測。


▲事件視界望遠鏡的全球觀測網絡. 圖片來自: Nature

這裏用到的觀測技術,就是「甚長基線干涉測量」(VLBI)。通過這種技術,能將多個望遠鏡結合成一台孔徑更大的望遠鏡,讓距離不再成為限制。兩個射電望遠鏡和一個數據處理中心,就能共同觀測遙遠的類星體以及河外星系。


因為黑洞本身是看不見的,這裏的拍出的圖像,其實是因為黑洞在「吃掉」身邊恆星時,氣體撕扯會產生旋轉的吸積盤,加上部分吸積氣體也會沿轉動方向被拋出去形成噴流,這些氣體摩擦都產生了明亮的光線,再加上其他頻段的輻射,因此能捕捉到這些黑洞的發光現象。


▲黑洞和積吸盤的藝術想像圖 . 圖片來自:Wikipedia

當 8 個射電望遠鏡聯合啟動,VLBI 網將各射電望遠鏡接收到的信號轉化為數字信號記錄在磁盤上,然後通過數據中心處理和分析,就能獲得觀測目標的射電精細結構圖像,最高分辨率可為哈勃空間望遠鏡的數百倍。

這樣,我們就能看清「月球上的蘋果」了。

為達到此次拍攝的極高分辨率,包括中國科學院下屬的天文台機構和高校等全球 13 多個研究機構都參與進來開展研究、校準工作。

而且,不止「拍」照片難,「洗」照片更難。

這不是咔嚓一下就能完成的攝影過程。上面提到,通過 VLBI,要將事件視界望遠鏡的所有觀測數據集合、整理。跨越南北半球的龐大的天文台資料,不能通過網絡傳輸,需要極大儲存容量的硬盤收集並郵寄到研究中心。


一次普通的 5 天觀測,整個陣列就會產生約 7PB 數據(1PB=1000TB=1000000GB),裝滿 1000-2000 個硬盤。

為了防止地球大氣中的水汽阻礙數據接收,還要將觀測站擺在乾燥高地,但常規硬盤無法抵抗低氣壓。墨西哥內格拉火山多頂(海拔 4580 米)的望遠鏡的 32 個常規硬盤裏就有 28 個無法運作,最後只好改裝成氦氣封裝硬盤。


▲ 圖片來自: EHT

同時,計算機進行後台處理和分析海量數據也需要極長時間,各個站點收集的數據都被彙集到美國和德國兩個數據中心,計算機集羣要對數據時間進行合併和分析,缺失或模糊的部分,都需要科學家進行拼圖完善。

單生產出這張黑洞照片,研究人員就用了 2 年左右時間。

雖然照片看起來依然是一片迷幻的「混沌」(待確認),但這次歷史性的窺探,也是人類史上一塊耀眼的豐碑。

照片的意義,不止讓人類見到黑洞

這次的重大發現,不僅讓我們能接觸到黑洞的真實面貌,更重要的是,幫我們驗證了愛因斯坦廣義相對論和黑洞的物理性質,包括黑洞真實質量、直徑、自轉速度……

中國科學院國家天文台研究員苟利軍説道:

引用黑洞周圍會有很多分流,分流對於整個星系,以及星系演化,都起着非常重要的作用。但我們不是特別清楚它是如何產生的,我們看到黑洞周圍的狀況,能幫我們解決最基礎的科學問題。


▲圖片來自:新華社採訪截圖

這只是一個開始,未來 EHT 還會帶來更多前所未有的科學成果。而這次黑洞的項目成果,無疑讓我們進入了一個展示時間、空間、光和物質深刻本質的更加深邃的新視野。


▲ 參與 EHT 的中國科學家

EHT 也表示後續還會給更多黑洞進行拍照及研究,人類將能更深入地理解宇宙。


包括與黑洞正好相反的宇宙天體:白洞,它也是一個強引力源,但引力是從內往外,任何物質和光線都無法進入其中。雖然白洞同樣是由理論推導而出的假想天體,但值得注意的是,當黑洞和白洞連接,其中的那條特殊通道就是我們更為熟悉的——蟲洞。

如果有一個宇航員掉入黑洞,被黑洞的潮汐力撕成原子構成的涓涓細流,那它也很有可能在高速自轉的黑洞白洞中進入多維空間隧道,也就是在蟲洞之中,開始一段新的太空旅行。


▲ 圖片來自:《星際穿越》

這也是 2014 年諾蘭經典的《星際穿越》劇本來源,我們通過它首次在熒幕上見到了最接近科學真相的黑洞圖像「卡岡圖雅」。而上面迎接那個宇航員的或許也不是死亡,而是另一片新的宇宙。

一切都在不斷用實踐驗證的途中,人類骨子裏總是沸騰着不安的血液,胸腔裏跳動着我們共同的未來。「生於凡塵,歸於星辰」或許將不再只是想象中的美好結局。

這也讓我們再次意識到:地球不該是人類歸宿的唯一答案。


▲ 圖片來自:《星際穿越》

無論是星際旅行,還是移居火星,在目前地球資源開始一步步走向枯竭的境地下,用環保和技術來延遲地球壽命必不可少,但也許這恰好是個完美的過渡時期,藉此將人類更重要的思維和力量投向羣星璀璨的太空之中。

霍金在晚年時期也對人類的未來憂心忡忡。他認為地球和人類正面臨着嚴峻的內憂外患,除了人工智能和氣候問題將導致人類滅亡地球毀滅,外星人還可能隨時入侵地球……


他曾在 2016 年在劍橋大學的一次演講中表示:

引用為了人類的未來,我們必須進入太空。在不離開這個脆弱的星球的情況下,我不認為我們能活過下一個 1000 年。

雖然就算是黑洞,也可能有死亡的一天。

在霍金的黑洞熱力學中,提出了「黑洞蒸發」的理論。也就是説,在非常遙遠的未來,當宇宙背景輻射温度降到黑洞温度以下,此時黑洞就會向外輻射物質和能量,而黑洞本身則將慢慢消失。


當然了,人類可能根本等不到那一天,畢竟根據霍金的估算,一個質量是太陽 10 倍的黑洞,大概要花 10^{70} 年消失,而宇宙目前的年齡也只有 10^{10} 年。

不過至少現在活在地球上的我們,還能繼續保持熱忱、保持天真,在混雜着希望和絕望的文明裏抗爭相搏,在有限的生命裏探索着人類和宇宙無限的可能性。

雖然渺小,卻也偉大。


資料來源:愛範兒(ifanr)

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  • PMYIFP
    PMYIFP 於 20/04/2019 評論 NO. 1

    長知識。

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