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我們將是第一批看到黑洞的人類
2017-04-20 08:23:51 來源: 光明日報
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原標題:視界面望遠鏡與首張黑洞照片

  【科學向未來】

  日前,由世界各地8個天文臺的亞毫米射電望遠鏡組成的虛擬望遠鏡網絡“視界面望遠鏡”,結束了對銀河係中心黑洞Sgr A*和星係M87中的黑洞的觀測。科學家們將用一年左右的時間分析相關數據,預計2018年黑洞會首次向人類露出“真容”。不過遺憾的是,在這次的全球協作中,沒有看到中國科學家的身影。黑洞為何在天文研究中如此重要?中國科學家為何缺席?記者就此採訪了進行黑洞研究的中國科學院國家天文臺茍利軍研究員,請他介紹相關情況。

  我們將是第一批看到黑洞的人類

  記者:我們之前也看過一些黑洞的模擬照片,為什麼説這次是人類首次看到黑洞?

  茍利軍:我研究黑洞快20年了,但包括我在內的科學家都沒有真的看到過黑洞。黑洞自身不發光,體積很小,而且與地球的距離非常遙遠,限于望遠鏡分辨率,我們無法直接看到黑洞。所以,我們之前都是用觀察吸積盤和噴流等間接方法來探測黑洞,然後根據理論進行計算,模擬出黑洞的樣子。

  這次是人類首次直接“看到”黑洞。科學家們利用位于南極、智利、墨西哥、美國亞利桑那州、美國夏威夷、西班牙的8個亞毫米射電望遠鏡從地球同時對黑洞開展觀測,這8個射電望遠鏡有單鏡、也有望遠鏡陣列,聯合起來能夠“拼成”一個與地球直徑一樣大的虛擬望遠鏡。我們都知道望遠鏡的分辨率取決于望遠鏡的口徑,但在這個虛擬望遠鏡網絡中,分辨率取決于望遠鏡之間的距離。分布在地球各處的射電望遠鏡極大地提高了虛擬望遠鏡的空間分辨率,從而讓天文學家能夠分清黑洞。然後應用大型計算機對海量數據進行合並與分析,産生黑洞的圖像。為了處理這些海量數據,美國麻省理工學院等機構的科學家還特意開發了新的算法,以加快數據分析。

  記者:那麼這次可以看到黑洞內部的情況嗎?是不是説我們可以全面了解黑洞了?

  茍利軍:不能這麼説。這次我們還只能看到黑洞的“外貌”,依然看不到黑洞的內部。這裏我們要説一個概念:視界面。黑洞的全部質量可以認為幾乎都集中在其最中心的奇點,奇點周圍會形成一個強大的引力場,在一定范圍內,連光線都無法逃脫。這個光線都不能逃脫的臨界半徑就被稱為“視界面”——也就是視線所能達到的邊界。這次能看到的,就是這個“視界面”。以我們目前的技術手段,黑洞內部我們還無法看到。

  黑洞會威脅地球安全嗎

  記者:地球會有被黑洞“吞噬”的危險嗎?

  茍利軍:地球沒有被黑洞“吞噬”的危險。我們現在理論認為,恒星質量大小的黑洞是由質量大于太陽幾十甚至幾百倍的恒星衰老後,核心塌縮,直至形成體積接近無限小、密度無限大的星體。這也就是説,太陽不會變成黑洞,最後會變成白矮星。

  即便太陽所在的位置有一個黑洞,地球也不會有危險。因為只有和黑洞足夠近,才可能被黑洞吞噬、撕裂,而地球處于安全距離。雖然我們目前只確認了20多個恒星量級的黑洞,但根據理論推算,銀河係中應該存在上千萬個這樣的黑洞。但這個數量相較于銀河係的體積來説,分布還是比較稀疏的,距離我們最近的黑洞也有三千四百多光年。即使突然間把我們中心的太陽換成一個同等質量的黑洞,我們的地球運行也不會受到任何的影響。所以,地球沒有被黑洞“吞噬”的危險。

  記者:如果黑洞不會威脅地球,又這樣難以觀測,我們為什麼還要研究黑洞?

  茍利軍:科學家進行研究的動力之一就是好奇。黑洞就像是神奇的黑匣子,你不想知道裏面藏著什麼嗎?而且借助黑洞,能讓我們了解更多自然的奧秘。比如我們之前就是借由兩個黑洞合並,才首次證實引力波的存在。這次我們得到黑洞的“照片”,也能解答很多疑問。例如能讓我們更深入理解愛因斯坦的廣義相對論,對其作出最為嚴格的限制。還有,科學家之前發現,黑洞不僅能“捕捉”光線和一切“路過”的物質,而且也有拋射氣體的噴流現象——一部分氣體在掉入黑洞視界面之前,在磁場的作用下被沿轉動方向拋射出去,形成非常壯觀的噴流現象。但我們對噴流的形成機制等情況並不清楚,希望這次能告訴我們更多視界面的細節,為我們研究相關問題提供更多證據。

  中國科學家為何沒有參與其中

  記者:這次視界面望遠鏡拍攝黑洞應該算是國際天文學界的大事了,中國科學家有參與嗎?

  茍利軍:據我所知,中國科學家沒有直接參與觀測。不過8個望遠鏡中有一個屬于東亞天文臺,這個天文臺位于美國夏威夷,是中國科學院國家天文臺、韓國天文與空間科學研究所、日本國立天文臺和中國臺灣“中研院”天文與天體物理研究所共同管理和運行的。

  記者:那中國科學家為什麼沒有深度參與這個項目呢?

  茍利軍:為了這5天的觀測,科學家們已經準備了十多年。一開始是美國和歐洲的科學家在分頭進行類似的這個項目,後來發覺獨立利用各自的望遠鏡達不到所需要的分辨率,然後兩者就合並形成了現在的這個視界面望遠鏡組織,而中國科學家一直沒有直接參與這個項目。

  同時,天文觀測高度依賴儀器設備。我們前面説過,觀測黑洞是件很難的事,Sgr A*黑洞距離地球25000光年,約為24億億公裏。雖然它的視界面約為2400萬公裏,但觀測這個黑洞就像我們在地球上用肉眼看月球表面放的橘子。在這次觀測中,有個望遠鏡尤其重要,一個是位于智利的ALMA毫米望遠鏡陣列,它在2013年才全部建成投入運行,它的靈敏度是目前單陣列中最高的,將視界面的望遠鏡探測光子的靈敏度提高了至少10倍,而且它所在的位置是地球上最佳的觀測地點,它的觀測時間也非常寶貴。另外一個望遠鏡是位于南極洲的望遠鏡,它極大地增加了望遠鏡的分辨率。正是因為這兩個望遠鏡的強力加入才讓這一項目成為可能。

  中國過去觀測設備與國際先進水平相比是有差距的,比如這次用的太赫茲頻段射電望遠鏡在我國只有兩個,一個在德令哈、一個在羊八井。因為尺寸有限,即便它們加入虛擬望遠鏡係統,可能對提高其空間分辨率的貢獻也不大。而8臺望遠鏡要在同一時間進行觀測,需要用到相幹技術,比如觀測之前要對所有望遠鏡進行校準,可能還要對終端設備進行升級,不僅需要資金,也有很多技術難題,可能在這些方面我們還有差距。

  記者:作為中國研究黑洞的科學家,您沒有參與到這一項目,會不會覺得有些遺憾?

  茍利軍:當然覺得遺憾。不過現在天文領域國際化合作越來越多,中國也在積極參加,我們希望通過國際合作縮短差距。比如國際上計劃建設的最新一代30米口徑光學望遠鏡,我們國家天文臺也參與了。

  中國也在不斷提高自己的觀測能力和觀測水平,比如貴州的500米口徑射電望遠鏡等。

  有人曾質疑我們目前在建或計劃建設的望遠鏡的水平落後于國際先進水平,但核心技術是買不來的,只能靠自己攻關,必須一步一步來。我們可以快走幾步,盡快趕上來。

  我相信,隨著中國天文觀測能力、水平的提高,這種遺憾會越來越少,中國科學家將為科學的發展作出更大貢獻。

  (圖片由Nature自然科研提供,因翻譯原因,圖中“事件視界”即為文中“視界面”。)

  ■成果預期

  解釋噴流的形成:噴流是宇宙中最為壯麗的景象之一——某些超大質量黑洞以接近光速向星際空間噴射的巨大粒子噴流。其中某些黑洞,包括M87,噴流長度甚至超過它們所在星係的跨度。但又不全是如此,比如Sgr A*的噴流或許因為太小或太微弱,以至于至今沒有被發現。雖然科學家們至今不清楚噴流的成分,但看上去它們在宇宙的演化中扮演著突出角色,特別是通過加熱星際間物質,噴流可以防止物質冷卻形成星球,從而阻止星係的生長。科學家們希望這一次能夠解釋是不是黑洞自旋為射流提供了能量源。

  驗證愛因斯坦引力理論:觀察視界面的大小和形狀,將能夠首次在超大質量黑洞周圍的極端空間驗證愛因斯坦的引力理論。這將跟進去年激光幹涉引力波天文臺LIGO的歷史性發現。物理學家評論:“我們在觀測一個我們不一定知道其物理規律的空間。”

  找到不同于黑洞的未知物體:理論學家給出了一係列不同的理論,來解釋當物質因為自重塌縮時可能會發生的情景。其中某些理論認為這並不會形成黑洞,因為引力導致的塌縮會在恒星殘骸越過“無法折返”的臨界點前停止。這有可能形成一種極其致密的星球,而EHT或許可以探測到源自其堅硬表面的輻射。但是安達盧西亞天體物理所的天體物理學家認為,能找到這類天體實屬碰運氣,“我有些懷疑這次觀測能否分辨經典黑洞和更為奇異的天體”。

  (本報記者 齊芳)

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【糾錯】 責任編輯: 陳聽雨
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