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这是人类首张黑洞照片


北京时间4月10日晚,通过协调召开全球新闻发布会,事件视界望远镜(EHT)宣布已经成功获得了超大黑洞的第一个直接视觉证据。EHT是一个通过国际合作而实现的、由八个地面射电望远镜组成的观测阵列,主要旨在通过形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜来捕捉黑洞的图像。


《天体物理学杂志通信》于4月10日以特刊的形式通过六篇论文发表了这一重大结果。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。


EHT把地球上的望远镜“组合”起来形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜,所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。百年之前,爱因斯坦广义相对论得到了首次试验验证。如今,作为多年国际合作的结果,EHT为科学家们提供了研究宇宙中最极端天体的新手段。(中国日报记者 周文婷)


对于黑洞,科学家们一直没能在天体物理真实世界里给出一个确切的观测。此次发布的这项成果,可以认为是直接的观测,它对以后对黑洞本身的研究、对黑洞天体物理学的发展,以及对世界和宇宙的观测都具有更深刻的价值。



比科幻更不可思议的天体


“事实有时候比小说更奇怪,黑洞最能真实体现这一点,它比科幻作家梦想的任何东西都更奇怪。”霍金在最后一本著作《十问:霍金沉思录》中这样写道。


时空中的无底深渊、深藏不露的引力陷阱……黑洞是天文物理史上最引人注目的研究课题之一,更是科幻小说、电影等多种文艺作品中的常见“角色”。


人类关注黑洞的历史可以追溯到18世纪末。在万有引力定律提出约百年后,英国科学家约翰·米歇尔在1783年首次提出,可能存在引力强大到连光线也无法逃离的“暗星”。不过,那时天文学家对此讨论不多。


1915年,爱因斯坦提出真正“预见”黑洞的广义相对论。但其实,就连爱因斯坦也曾经不相信黑洞真实存在。不过,科学界确实利用广义相对论计算得出,在宇宙中存在这样的天体。


20世纪60年代,美国天体物理学家约翰·惠勒首次将“黑洞”作为一个科学术语提出,这个词象征着它的黑暗和神秘。


此后,科学界不断收获关于黑洞的研究成果。迄今,黑洞的存在已得到多数天文学界和物理学界科研人员的承认。


电脑模拟两个黑洞合并的情形。来源:视觉中国


在人类首次获得黑洞照片之前,2015年堪称黑洞研究的一个小高峰:引力波探测项目为黑洞的存在提供了明确证据。


科学界普遍认为,黑洞是宇宙中最神秘的天体,几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,其周围形成一个强大的引力场,在一定范围之内,连光线都无法逃脱。这个边界称作“事件视界”,本次发布黑洞照片的国际组织,就叫做“事件视界望远镜”项目。


根据理论推算,银河系中光恒星量级的黑洞就有上千万个。天文学界认为,许多星系中央都有超大质量黑洞。例如代号M87的超巨椭圆星系中心黑洞的质量被认为约为太阳的65亿倍。


天文学家根据质量将宇宙中的黑洞分成了三类:恒星级质量黑洞(几十倍至上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。


尽管黑洞无法直接观测,但由于黑洞的引力会吸积物质到它附近,周围通常都有一个吸积盘环绕。吸积盘非常热且亮,与黑洞对比明显,因此可以通过观测吸积盘来为黑洞拍照。(新华社记者 郭爽)


电影《星际穿越》中展现的黑洞


这次是直接观测的真实图像


这次是直接观测图像,类似超级相机拍摄,回来洗照片。”参与观测超级黑洞的团队成员之一的华中科技大学物理学院教授吴庆文接受专访时表示,这次观测超级黑洞,不是模拟更不是想象,而是真实的图片。


吴庆文教授说,黑洞就是一台超级发动机,不仅吞噬物质还向宇宙空间以接近光速抛射物质,他们课题组前期一直在进行研究。“这次工作主要分为观测、数据处理、理论分析等。全球有200人参与,中国团队十余个成员,参与了上述不同方向。 我主要参与了一些理论分析。”


为何能观测到黑洞的图像?


吴庆文教授解释,黑洞就是一个时空漩涡,是弯曲的空间和弯曲的时间构成的,别无其他(看似古怪、高深、晦涩难懂的事实)。黑洞存在一个视界,视界内部时空高度扭曲,连光都无法逃脱,一切物质掉入视界范围,它就会消失得无影无踪,奔向奇点,因此像一个无底洞,即我们说的“黑洞”。花花世界、爱恨情仇、金银财宝进入黑洞就只剩下质量、自旋和电荷三种信息(所谓‘三毛’定理)。虽然黑洞不发光,但其具有强大的引力,可以将周围的物质吸引过来,形成绕其转动的吸积盘,由于吸积盘不同半径处转动速度不同导致摩擦升温,把吸积物质的引力变成辐射,从而被我们观测到。(长江日报融媒体)


黑洞模拟图 吴庆文供图


照片为什么“冲洗”了两年?


香港大学太空研究实验室执行主任、曾获得过高能天体物理学最高奖之一“布鲁诺·罗西奖”(Bruno Rossi Prize)的苏萌教授在接受本网专访时是这样解读黑洞的“黑”的。


他说,一方面,你可以说黑洞本身是很黑的,完全看不见,但是周围的物质在进入黑洞里面的一瞬间是非常亮的,也就是变成黑洞的那一瞬间其实是最亮的,所以我们现在要拍的是周围物质掉进去那一瞬间的照片。我们现在估计银河系里面有几亿个、几十亿个甚至更多的黑洞,但是真正被观测看到的,大概也就几十个。


全球科学家们实际上尝试观测的是黑洞的“事件视界”。 2017年的4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划,利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,让人类第一次看到黑洞的视界面。这个虚拟的望远镜网络被称为“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope, EHT),其有效口径尺寸将达到地球直径大小。


自2017年4月 “事件视界望远镜”启动拍照,至今已经约有两年的时间了。为什么“黑洞”这张照片用了这么久才“冲洗”出来?


苏萌教授称,给“黑洞”拍照不像是手机拍照那样,立刻就能呈现出来,它是大量的海量数据,还有很多个步骤。然后一步一步地把这个数据从巨大的一个体量最后变成了照片,让有用的信息一直保持下去,而把没有用的信息剔除掉。还要把大家做的信息统筹起来,所以是这样一个过程,其实两年时间并不算长。


全球许多媒体都将于今晚直播首张黑洞照片发布过程。图片来源:美国Space.com网站报道截图


全世界同望星空


宇宙中最神秘的天体、时空中的无底深渊,即使是光都无法逃逸……长久以来,黑洞只不过是广义相对论的预言、爱因斯坦的方程、模拟电脑图像、引力波等项目的间接证据,或者科幻小说的想象。


然而,当全球科学界将分布在世界各地的8个射电望远镜(阵)组成“地球级别”的虚拟望远镜阵列,同一时刻、同一方向,对准同一片遥远星空,就连黑洞——这些深藏于宇宙各处的引力陷阱,也会“发出耀眼光芒”。

从美国夏威夷到智利,从伊比利亚半岛到南极……全球30多个研究所,200多名科学家,倾数年心血,携手并肩,共同记录黑洞周围吸积盘和喷流等发出的耀眼光芒,从而让超大质量黑洞无处遁形,显现“真容”。正是全球同步的努力,让人类拍摄到有史以来首张黑洞照片。


在这一“兴师动众”的过程中,科研领域全球同步的作用愈发凸显。正如“事件视界望远镜”项目科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克所说,这样的项目需要整个世界



事实上,观测黑洞项目,让地球上几乎所有这一领域的研究人员都不同程度地以不同方式参与其中。科学探索,正让整个世界以不同寻常的方式更紧密地连接在一起,不仅让地球,也让人类成为一个共同体。


无论是对黑洞概念懵懵懂懂的早期天文学家、发表广义相对论的爱因斯坦、获得黑洞存在证据的引力波项目团队,还是今天共同拍摄黑洞照片的各国科研人员,让人类持续探索并不断取得进步的动力之一,正是人类作为一个共同体对宇宙和自身的好奇心。


探索未知,是人类拓展自身疆界的重要过程。天文学的进步,也同时推动数学、物理学、化学、计算机等多个学科并肩前行。而只有多领域、多学科并行发展,更大尺度地拓展国际合作范围、更深入地探索国际合作模式,人类探索未知的视野才可能变得更加开阔。


无论仰望星空,还是审视自己,当地球上的人们全体凝视同一方向,如同黑洞这样曾经深藏不露的未知,终将一个接一个“显露光芒”。(新华社记者 郭爽)


中国科学家做出了重要贡献


EHT的建设和4月10日宣布的观测结果源于数十年观测、技术和理论工作的坚持和积累。这与来自世界各地的研究人员的密切合作是分不开的,是全球团队合作的典范。13个合作机构共同创建了EHT,使用了既有的基础设施并获得了各种机构的支持。主要资金由美国国家科学基金会(NSF)、欧盟欧洲研究理事会(ERC)和东亚资助机构提供。


“对M87中心黑洞的顺利成像绝不是EHT国际合作的终点站。”上海天文台台长沈志强研究员说。“我们期望也相信在不久的将来EHT会有更多令人兴奋的结果。”


4月10日晚9时,人类首张黑洞照片上海发布会在中国科学院上海天文台举行。


香港《南华早报》报道称,目前尚不清楚参与此次EHT项目的200多名研究人员中有多少来自中国,但中国的天文学家为EHT项目做出了重要贡献是不争事实。北京大学物理学院天文系主任吴学兵教授说,他所在的天文系就参与了此次项目。


报道进一步指出,中国科学家在资金支持,计算机建模和数据分析方面都做出了贡献。 EHT阵列的观测只持续了几个小时,但研究人员花了将近一年的时间才将碎片图像合并成一张完整可信的图片。


“处理的数据量非常大。对于任何一个国家来说,这都是一项不可能单独完成的任务,需要全球合作才能完成。“吴教授说。


苏萌教授称,天文学本身就是一个特别重视国际合作的一个学科,它的许多成果都是不同文化背景下的众多国家、团队、高校为了一个科学目标而一起长时间努力而获得的。比如,一些天文学的项目,往往几百人是一个很正常的规模。所以在EHT这个项目里面,也是很多国家高校的研究机构团队参与进去,包括中国的科研机构和科学家,比如中国科学院上海天文台便参与了此次国际合作。


现在,在全球重大的天文学发现中,已经有越来越多中国团队的身影,中国科学家参与到大型的国际合作中,并做出了相应的贡献。例如,中国在射电干涉方向已经积累了相当多的人才。尤其是在正在推进的国际大科学工程——平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array, SKA)计划中,中国的贡献率大幅提升。在很多方面中国技术起了核心的作用。SKA是当前国际射电天文界的最重要的大型望远镜项目,是人类有史以来建造的最庞大的天文设备,将开辟人类认识宇宙的又一新纪元。



综合:新华社、中国日报网、长江日报等,编辑:吴彦鹏

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