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黑洞那么多,为什么M87最先亮相?
2019-04-12 09:25

黑洞那么多,为什么M87最先亮相?

本文来自:我是科学家iScientist(ID:IamaScientist),采访、编辑:Yuki,文字整理、排版:小爽


北京时间 2019 年 4 月 10 日晚上21点 ,人类历史上的首张黑洞“靓照”在全球刷屏。


华丽亮相的M87星系黑洞。图片来源:EHT


这张来之不易的照片,是由全球众多研究团队共同合作,耗时两年,从世界各地望远镜获得的海量数据中“冲洗”出来的。这项意义非凡的研究成果一经公布,就立即在世界范围引起了轰动。


那么,这张黑洞照片和理论中的有何差别?为什么M87星系中的黑洞会最先被拍照?这张照片又有哪些重要意义……围绕这些问题,我们采访了领域内的几位科学家,请他们聊了聊自己的看法。


本期科学家:


苟利军,中国科学院国家天文台研究员,中国科学院大学教授


王爽,中山大学物理与天文学院副教授,博士生导师;科普作家,新浪微博知名科学科普博主,科学松鼠会成员


张帆,北京师范大学天文系副教授,美国西弗吉尼亚大学兼职助理教授


易疏序,奈梅亨大学博士后,研究方向为引力波天文学、致密天体


孙正凡,天体物理学博士,科普作家、第六版《十万个为什么》编辑、科学松鼠会会员


01 刚刚公布的黑洞照片和您想象的有何区别?是否和理论预期的一样?


王爽:有点出乎意料。原以为人马座A*和M87*的照片会同时放出,而第1张是人马座A*。照片本身倒是和理论预言符合得很好。


孙正凡:刚刚公布的黑洞照片跟之前的预期还是有差别的,它只放出了M87的照片,另一个黑洞的照片还在处理中。此外,我们现在看到的黑洞照片,比之前基普·索恩在《星际穿越》中描绘得更加详细。这说明,现实的观测比理论的预言带给人们更多的惊喜,让人们更加了解黑洞。


张帆:M87中黑洞的这个图像肉眼看上去和广义相对论的预期几乎是一样的,阴影近似圆形;引力透镜导致黑洞后面的吸积盘也可见;环绕黑洞运动的物质中向着我们地球方向运动的那部分所发射的信号和离我们远去的物质发射的信号遭受的多普勒效应相反,所以图像不对称。


黑洞模拟图。图片来源:astronomy|Avery Broderick, Avi Loeb


02 为什么首先选择人马座A*和M87星系黑洞作为拍照对象?


苟利军:人马座A*是在我们看来是最大的一个黑洞,另外一个相对比较大的就是M87星系的当中的黑洞。这就相当于我们把已有黑洞的大型的黑洞看了一遍,发现这两个黑洞是其中最大的,于是就对它们进行了拍照。


M87是室女座星系团成员之一,M87位在此星系团左下方。图片来源:ESO


孙正凡:目前只能选择超大质量黑洞作为拍照对象。虽然银河系里有不少恒星级的黑洞,但是它们太小了,现阶段并不适合作为观测目标。幸运的是,在几乎所有星系的中心都有超大质量黑洞,它们适合作为拍照对象。


王爽:对宇宙中所有的黑洞而言,人马座A*和M87*的视张角是最大的。换言之,这是两个从地球上看最大的黑洞。所以EHT会选择观测它们。


人马座A*。图片来源:EuropeanSouthern Observatory


易疏序:要挑选一个“看起来尽可能大的”目标作为拍照对象。我们都知道“近大远小”,因此我们需要在“黑洞本身的大小”和“离我们的距离”这两点间找到平衡。选来选去,银河系中心的超大质量黑洞人马座A*和附近一个星系M87中心的超大质量黑洞是最理想的。因为它们非常大,而且离得不算太远。


03 如何为黑洞“拍照”?最大的困难是什么?


张帆:黑洞本身不发光,我们只能看到其它东西掉到黑洞事件视界里面之前发出来的信号,所以黑洞在照片里面呈现的形态是个影子,我们必须把黑洞的临近环境看得非常清晰这个影子才能凸显出来(不要忘记宇宙背景本身也是黑的)


但是黑洞其实大小非常有限,一个和太阳质量相当的黑洞的半径只有三公里。而且(幸运的)我们附近也没有已知黑洞,所以没办法,只能看较远地方的一个很小的东西。这就需要极高的角分辨率,把一点点角度尺度上的变化都看清楚。这就是为什么需要全世界多个射电望远镜(射电信号不容易被夹在我们和星系中心间的尘埃遮挡)组成一个干涉阵列。


加入黑洞观测计划的各国天文望远镜。图片来源:EHT


黑洞附近物质所发射出来的信号在到达世界上不同望远镜的时间上稍有不同,而这种延迟的大小与信号方向和连接望远镜间直线的夹角相关,通过干涉的方式这个延迟可以被放大成能读取的信号,进而我们可以非常精确地得知信号源的方向,获得需要的角分辨率。延迟的大小当然还和望远镜间的距离成正比,所以望远镜间离得越远越好(但是得在同一个半球,能同时观测同一片天空)


王爽黑洞本身不发光。所以要想为黑洞拍照,得拍黑洞吸积盘发出的光。难点就在于黑洞的视张角实在太小。就连视张角最大的这两个黑洞,都只有区区几十微角秒,相当于从地球表面看一个月球上的乒乓球。


易疏序:“难度在于黑洞太小,太远了。尽管你可以任意放大一张照片,但如果你要拍摄的物体的像比一个像素还要小,那么无论如何放大照片都是没有意义的。所以要拍清楚黑洞就要求前所未有的非常高的分辨率。


由于量子力学的测不准原理,任何照片都有一个极限分辨率。相机的口径越大,能达到的分辨率越高。同时观测的电磁波波长越短,能达到的分辨率也越高。


基于上述原因,人们希望把望远镜越建越大。但由于技术和资金的限制,单座望远镜的大小受到限制。科学家们发明了一种技术,通过比较距离很远的几台望远镜记录的电磁波相位的差异,来反推天体的图像(也就是基线干涉技术)。通过这个技术,若干台相距几公里的望远镜可以联合成一个阵列,相当于一架口径几公里的望远镜的分辨率。


为了比较各处电磁波的相位差异,这些望远镜需要非常精确地同步他们的时钟。观测波长越短的电磁波(频率越高)对时钟同步的精度要求也就越高。因此这次的EHT拍摄的图片不是在可见光波段,而是在波长更长的射电波段。当然,观众们在媒体上看到的图片是转换成可见光的图片。为了保持望远镜阵列的相干性,每台望远镜的形状都要精确到微米级别,这对工程技术也提出了不小的挑战。


04 “看见”黑洞具有怎样的科学意义?


王爽:首先,提供了黑洞存在的直接证据。其次,提供了一个很好的实验室,来检验广义相对论和各种修改引力理论。再次,让人们能更好的理解超大质量黑洞的吸积和喷流。


张帆:“看见”黑洞可以直接证明黑洞的存在,并检验它是否符合广义相对论的预期。相对论在弱引力条件(如太阳系内的环境)下被非常精确的验证了,而之前引力波在强场环境中又检验了一下,所以我并不期待有这方面的惊奇。但能够以这种精度观测黑洞周边是非常有意思的,因为超大质量黑洞附近应该是很活跃的天文环境,可以用来学习研究很多复杂的天体物理过程。


易疏序代意义上的黑洞已经被预言了一百年了。天文学家发现了很多,很确凿的黑洞存在的证据。比如黑洞吞噬恒星时发出的光,黑洞碰撞时发出的引力波。但这些都是“间接证据”。尽管主流天文学家都相信黑洞一定存在,但按照大家普遍存在的心理:“无图无真相”,“眼见为实”。真的看到黑洞核心区域,事件视界的剪影,无疑是最直接的黑洞存在的证据。这就好比人类几千年前就通过各种证据知道地球是圆的,但是用人造卫星给地球拍一张照片还是最直接的。


除了证明黑洞存在之外,人们还可以根据黑洞周围发光气体形态,推测出黑洞周围时空的弯曲情况。这有助于人们了解引力理论,比如广义相对论是否在如此强引力的地方还依然正确?就像人们说的“证实了爱因斯坦是对的,是一个诺贝尔奖;发现爱因斯坦是错的,是另一个诺贝尔奖”。


此外,黑洞的照片还有助于我们了解星系中心黑洞的质量、自旋、吸积率、周围环境和磁场,成长历史以及喷流是如何产生的等等天体物理问题。


超大质量黑洞及其周遭吸积盘。图片来源:Wikimedia Commons


05 未来我们是否有望拍到更多、更高清的黑洞“靓照”?


易疏序:未来这两个黑洞的照片越来越清晰是肯定的。更多的望远镜加入干涉阵列,以及更先进的技术都会让分辨率和灵敏度进一步提高。至于不远的未来,能否能有更多黑洞的靓照(M87和人马座A*以外),这个需要望远镜分辨率的大幅提升。可能需要用到今天还没有发明出来的技术。


张帆:要拍摄更清晰的“靓照”需要相互距离更远的望远镜,EHT 里面现在已经基本上达到地球直径了,要达到更远距离可以用上海天文台叶叔华院士提议的太空射电望远镜,或者干脆在月球背面造一个。当然,数据传输、分析等等方面能力的增强和在更高一点的频率上进行观测也会有很大帮助。


苟利军:我觉得有可能还是先局限在这两个黑洞。但是随着更多望远镜的加入和灵敏度的进一步提高,我们可能会获得更多的细节。所以未来再观测同样的黑洞时,应该会拍到更为清晰的照片。

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