人類首張黑洞照片公佈 2 年後偏振圖像也來了,這次不高糊了!

雷鋒網 於 26/03/2021 發表 收藏文章
1783 年 11 月,一位英國自然哲學家、牧師 John Michell 在寫給物理學家卡文迪什 (Henry Cavendish)的一封信中,首先提出可能存在一種暗天體(dark body)或暗星(dark star),其密度極大,擁有連光都無法逃逸的巨大引力。

自 John Michell 第一個提出存在「暗天體」至今,人類對這一神秘天體的探索從未停止。幸運的是,生活在 21 世紀的我們雖難知其全貌,卻也看到了珍貴的黑洞照片。

2019 年 4 月,由全球 30 多個研究單位組成的事件視界望遠鏡(EHT)團隊公佈了首張黑洞照片,這張照片來自 M87 星系黑洞。


隨後在 2020 年 4 月,天文學家們又公佈了全球第二張黑洞照片,即一張 2017 年 4 月拍攝到的 55 億光年外的類星體 3C 279 中央核心及其射流起源的圖片。


而關於黑洞研究的最新消息是:2021 年 3 月 24 日,EHT 團隊再次公佈了一張黑洞照片——這是 2019 年 4 月公佈的 M87 星系黑洞照片在偏振光下的影像。


有人説,人類史上第一張黑洞照片如今更加清晰了,實際上照片中的線條標記了偏振方向,與黑洞陰影周圍的磁場有關。

用科學家們的話説就是:

引用EHT 團隊為揭示這個超大質量黑洞提供了一個嶄新的視角。

何為黑洞?

瞭解 EHT 團隊的研究前,先來了解一下黑洞。

大約在 John Michell 信中提到存在「暗天體」的 132 年後,一位你我都不陌生的物理學大牛再次預言了其存在。


1915 年,愛因斯坦(Albert Einstein)完成了廣義相對論的基礎,並於次年正式發表。

Albert Einstein 的廣義相對論預言,在宇宙空間中存在一種天體,是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡後,發生引力坍縮產生的。這種天體密度極大、體積極小,引力也極其強大,強到連光線都被吸引,無法逃逸。

不久後,德國物理學家 Karl Schwarzschild 為這一預言做了精確解。

Karl Schwarzschild 通過計算得到了愛因斯坦場方程的一個真空解,這個解表明,如果一個靜態球對稱星體的實際半徑小於一個定值(這裏指著名的史瓦西半徑),周圍就會產生奇異的現象:一旦進入一個被稱為“視界”的界面,即便是光也無法逃脱(這裏指事件視界,即一種時空的界線。事件視界中,引力巨大,黑洞附近的逃逸速度大於光速,任何光線皆不可能逃脱;事件視界外,物體則不會受到黑洞影響)。

直至 1969 年,美國天體物理學家 John Archibald Wheeler 首次提出了“黑洞”的概念。

此後,黑洞的定義則是:

引用時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脱的天體。

探索黑洞,何其不易

不論預言也好,計算也罷,都無法真正感知黑洞的存在,更不必談進一步探索。

但值得一提的是,1964 年,美國探空火箭發現了一個位於位於天鵝座方向的雙星系統「天鵝座 X-1」。

天鵝座 X-1 作為一個 X 射線雙星系統,包含着一個能產生 X 射線源的緻密星和一顆藍巨星。

當時,英國理論物理學家 Stephen Hawking 和美國理論物理學家 Kip Stephen Thorne 曾拿天鵝座 X-1 打賭。Stephen Hawking 賭天鵝座 X-1 並非是黑洞,但隨後越來越多的觀測證據擺在眼前,Stephen Hawking 也在 1990 年承認天鵝座 X-1 就是黑洞,也是人類在實際探索中發現的第一個黑洞。

通過這個例子不難看出,人類對黑洞的探索相當艱難,很大一部分原因在於黑洞無法直接被觀測到,科學家只能間接得知其存在、質量大小及對其他事物的影響。

具體而言,物體被黑洞吸入之前,其引力帶來的加速度會導致摩擦,進而釋放出一些訊息,而這就是科學家判斷黑洞存在的關鍵證據(雷鋒網(公眾號:雷鋒網)注:藉由間接觀測恆星或星際雲氣團繞行的軌跡,也能尋到一些蛛絲馬跡)。

黑洞對於很多人而言,或許就像諾蘭的電影,不要試着去理解,感受就好(手動狗頭)。

為進一步瞭解黑洞,科學家們用到了一個工具——一種名為「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT)的由 8 個射電望遠鏡(射電望遠鏡是指觀測、研究來自天體的射電波的基本設備)形成的網絡,它主要嘗試觀測的是事件視界。


2006 年,來自全球 30 多個研究所的科學家們聯合起來,發起了給黑洞拍照的計劃。

雷鋒網此前曾報道,這一計劃之下,分佈在各地的 8 個射電望遠鏡聯合觀測同一目標源、記錄數據,從而形成一個口徑等效於地球直徑的虛擬望遠鏡,將望遠鏡的角分辨率提升至足以觀測事件視界尺度結構的程度。

就 EHT 的分辨能力,中國科學院有一個生動的比喻:相當於在地球上看清月面上一張信用卡所需的分辨率。

2017 年 4 月,黑洞照片的拍攝工作完成,科學家們開始了數據處理過程。

終於,美國東部時間 2019 年 4 月 10 日 9 時,美國華盛頓、中國上海和台北、智利聖地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京同時召開新聞發佈會,公開了人類獲得的第一張黑洞照片。照片顯示了一個明亮的環狀結構,環狀結構中央的黑色區域正是黑洞的陰影。

為此,EHT 團隊於 2019 年 9 月獲得了科學突破獎基礎物理獎。

首張黑洞偏振圖像發佈

距離第一張黑洞照片公佈,已過去近兩年。

當地時間 2021 年 3 月 24 日,3 篇來自 EHT 團隊的論文發表於《天體物理雜誌快報》,論文合著者均多達數百位。


論文主要涉及黑洞邊緣的偏振特性,與有組織的極向磁場有關。

對此,中國科學院表示:

引用這是天文學家第一次在如此接近黑洞邊緣處測得表徵磁場特徵的偏振信息,該結果對解釋距離地球 5500 萬光年的 M87 星系如何從其核心向外傳播能量巨大的噴流具有關鍵意義。

其研究對象 M87 星系黑洞,是位於 M87 星系(即處女座)的一個巨大黑洞,其質量約有 30-60 億個太陽的質量,與太陽系距離約 5000 萬光年——當前,科學家們選定的主要觀測目標便是 M87 星系黑洞和位於銀河系中心的 Sgr A*(即人馬座 A*)黑洞。

EHT 團隊通過深入研究 M87 星系黑洞的相關數據發現:M87 黑洞周圍的相當一部分光是偏振的。



偏振(polarization)又稱極化,指的是橫波振動矢量(即垂直於波的傳播方向)偏於某些方向的一種現象。這種振動方向對於傳播方向的不對稱性,是橫波區別於其他縱波的一個最明顯標誌。
據上海天文台介紹:

引用在射電天文領域,我們接收到的大部分天體信號是偏振光。不過,由於偏振特徵會由於疊加效應被削弱,且在黑洞附近的緻密區域裏,光深通常也會影響偏振程度。

上海天文台認為,EHT 能夠拍攝到 M87 黑洞陰影周圍的高分辨率偏振圖像,主要原因在於:

  • EHT 的分辨本領高,能夠分解開緻密區域;
  • 觀測波段在短毫米波段,從而大大削弱了偏振程度所受到的影響。

雷鋒網注意到,EHT 團隊成員、上海天文台副研究員江悟表示:

引用常規 VLBI(甚長基線干涉技術)偏振測量存在困難,EHT 得到這個偏振圖像更充滿了挑戰。所以在首張黑洞圖像出爐後,偏振圖像的面世花費了近兩年。
無疑,這一科研成果再一次加深了人類對黑洞的認知。

引用來源:

https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole

http://www.cas.cn/syky/202103/t20210325_4782275.shtml

https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205

https://mp.weixin.qq.com/s/6qzRgQRtBGoCyalKUMkDHA

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資料來源:雷鋒網
作者/編輯:付靜

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標籤: 黑洞照片  

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