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科學家眼中的黑洞照片發布:“愛因斯坦還是對的!”
2019-04-11 07:33:34 來源: 中國青年報
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  科學家眼中的“歷史性時刻”——

  “愛因斯坦還是對的!”

  作家茨威格曾在其著作《人類群星閃耀》裏寫道:倘若出現一個具有歷史意義的時刻,這一刻必將影響數十年乃至數百年。

  北京時間2019年4月10日晚21時07分或許就是這樣一個時刻,至少對中國科學院上海天文臺臺長沈志強來説是這樣。

  這一刻,他所參與捕獲的人類首張黑洞照片面向全球同步發布。

  100年之前,愛因斯坦廣義相對論得到了首次試驗驗證,如今這一理論則再一次獲得“強有力的支持”。

  “愛因斯坦真是個天才,他還是對的!”

  在黑洞照片的上海發布現場,沈志強不斷發出這樣的感慨。他告訴中國青年報·中青在線記者,“全球200多位科研人員花了幾年時間,最終得到這樣一個顛覆性的觀測和讓人信服的圖像——這是值得銘記的時刻!”

  既然沒法看見,如何知道黑洞存在?

  所謂黑洞,是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體。按照中科院上海天文臺研究員路如森的説法,黑洞具有超強引力,即便是光,也無法逃脫它的勢力范圍。該勢力范圍被稱作黑洞的半徑或被稱作“事件視界”。

  “等一下,真的有黑洞嗎?你是如何確認黑洞存在的?”

  這樣的問題,路如森曾不止一次被問及:“黑洞的名字,乍一聽,黑的洞,那是不是就表明‘沒法看見’;如果沒法看見,那怎麼就知道它存在呢?”

  事實上,在這次“拍照”前,天文學家們已經通過多種間接的證據來證明黑洞的存在。路如森向記者列舉了其中主要的三類代表性證據。

  第一,恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力,對周圍的恒星、氣體會産生影響,于是科學家可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。

  第二,黑洞在“吃東西”即吸積物質時,會發出一定的光,科學家據此來判斷黑洞的存在。

  第三,通過一定設備“看到”黑洞成長的過程,來推導黑洞的存在。

  “還有很多類似的證據,無不説明了黑洞真實存在。但這還是間接的,而我們一直想要做到的,就是直接‘看’到黑洞!”路如森説。

  按照100多年前愛因斯坦提出的廣義相對論,人類似乎永遠不能看到“黑洞本身”,相應的,黑洞的“事件視界”,就是科學家能看到的“最接近黑洞本身的圖像”。

  之所以要“看到”黑洞、給黑洞“拍照”,一個主要目的就是“看看愛因斯坦究竟是不是對的”。

  沈志強説,對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺”證據。黑洞是具有強引力的,因此給黑洞“拍照”,最重要的目的是在強引力場的極端環境下,驗證愛因斯坦的廣義相對論,並同時細致研究黑洞周圍的物質吸積和噴流的形成及傳播。

  至于黑洞和人類現實生活有何關係?科學家並不能給出現成的答案。

  不過沈志強表示,天文學家一些和此相關的“提問”,或許能在一定程度上回答這個問題:人類居住的銀河係中心就有一個超大質量黑洞,它的質量大約是太陽質量的400多萬倍。那麼,這顆超大質量黑洞會不會影響人類的生活?銀河係中除了這個超大質量黑洞外,還有很多恒星級黑洞,它們和人類、地球又有什麼關係?“如果我們關心人類和地球,就應該關心黑洞。”

  要能在巴黎的咖啡館“看到”紐約的報紙

  不過,要想真正“看到”黑洞並不容易。按照沈志強的説法,要對黑洞成像,必須要保證望遠鏡足夠靈敏,能分辨的細節足夠小,從而能保證“看得到”和“看得清”。

  科學界公認最好的工具莫過于1967年出現的甚長基線幹涉測量技術(英文簡稱VLBI)——該技術也曾多次應用于我國嫦娥探月工程的探測器,“假定在1毫米波長觀測,一個長度為1萬千米的基線,就能獲得約21微角秒的分辨本領”。

  “這是什麼概念?形象地説,達到的分辨率約20微角秒,就足以在巴黎的一家路邊咖啡館,閱讀紐約的報紙!”沈志強説。

  不過,這並不意味著只要VLBI陣列的分辨率足夠高,就一定能成功給黑洞拍照。“如同觀看電視節目必須選對頻道一樣,對黑洞成像而言,能夠在合適的波段進行VLBI觀測至關重要。觀測黑洞視界的最佳波段在1毫米附近。”沈志強説。

  事件視界望遠鏡(EHT)觀測所利用的技術就是毫米波VLBI,目前其工作波段在1.3毫米。

  這是由8個地面射電望遠鏡組成的國際合作觀測陣列——一個觀測口徑近乎于地球大小的“虛擬望遠鏡”,“所達到的靈敏度和分辨本領都是前所未有的”。

  路如森告訴記者,雖然分布在地球各地的8個地面射電望遠鏡,並沒有實際連接,但借助氫原子鐘精確計時,各臺望遠鏡可以實現數據記錄的同步。

  在2017年的全球觀測中,EHT的觀測波長就實現了1.3毫米。

  按照路如森的説法,EHT的每一臺望遠鏡都記錄了大量的數據——每天約350太字節。這些數據被存儲在高性能的充氦硬盤上。一旦生成,數據就會被空運到德國馬普射電所和美國麻省理工學院海斯塔克天文臺,在那裏,被稱作相關處理機的高度專業化超級計算機,將對各個臺站數據進行處理。

  最後,借助合作開發的新型計算工具,這些數據被精心處理並用來生成圖像。

  如今,作為多年國際合作的結果,EHT終于為科學家提供了研究宇宙中“最極端天體”——黑洞的新手段。

  路如森透露,未來,隨著格陵蘭望遠鏡和基特峰望遠鏡等加入,EHT的靈敏度將顯著提高,並有望擴展到更短的0.8毫米。

  中國天文學家作了“非常重要的貢獻”

  根據EHT發布的情況,全球參與此次EHT國際合作項目的科研人員達200名之多,其中,來自中國大陸的學者有16人,分別來自上海天文臺8人、雲南天文臺1人、高能物理所1人、南京大學2人、北京大學2人、中國科學技術大學1人、華中科技大學1人。另外,還有部分來自中國臺灣地區的學者。

  早在20年前,EHT科學委員會主席、荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克就曾和我國科學家合作研究黑洞。

  如今再次合作,海諾·法爾克評價中國科學家表現時説:“他們現在是中國受人尊敬的科學家。在天文學、射電天文學、太空天體物理等領域,中國在這個全球項目中作出了非常重要的貢獻!”

  路如森告訴記者,在EHT國際合作形成之前,我國就已經關注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數值模擬研究,並開展了多方面“具有國際顯示度”的相關工作。

  具體到這一次合作,我國科學家在早期EHT國際合作的推動、EHT望遠鏡觀測時間的申請、夏威夷JCMT望遠鏡的觀測、後期的數據處理和結果理論分析等方面都作出了貢獻。

  路如森還記得,他曾到夏威夷參與觀測,在4000多米的高山上“爬上爬下”,褪去科學家的光環,直接掄胳膊上陣充當“苦力”,調試磁盤陣列。

  EHT董事會主席、德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長安東·岑蘇斯透露,他們和中國科學家建立了廣泛的合作夥伴關係。他所在的研究所就有許多合作過的學生和博士後研究員,其中一位,就是路如森。

  安東·岑蘇斯説,路如森到上海天文臺之前,就曾是馬克斯·普朗克研究小組的領導者。令他印象深刻的是,路如森的興趣在于使用VLBI方法進行觀測,在後來的實際工作中也進行了數據的成像重建。

  “還有其他科學家幫助我們使用JCMT射電望遠鏡進行觀測,有的參與了已獲得的數據的理論建模工作。所以,中國在這個項目中的參與是多方面的!”安東·岑蘇斯説。

  首張黑洞照片發布後,沈志強告訴記者,對M87中心黑洞的順利成像,絕不是EHT國際合作的“終點站”,“也許,就在未來的不久,我們就將迎來更多令人興奮的結果”。(記者 邱晨輝)

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【糾錯】 責任編輯: 邱麗芳
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