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爱因斯坦预言获证 黑洞照片怎么拍的

重庆晨报 2019年04月11日 09:24

原标题我们终于一睹黑洞真容 爱因斯坦你又对了

浩瀚星空中黑洞是极神秘又惹人遐思的天体

它吞噬一切连光也无法逃脱它体积小质量大可以弯曲周围的时空它的前世今生带着重重谜团让人好奇无比

人类史上首张黑洞照片面世北京时间10日晚9时许包括中国在内全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容这一由200多名科研人员历时10余年从四大洲8个观测点?#23433;?#33719;的视觉证据有望证实爱因斯坦广义相?#26376;?#22312;极端条件下仍然成立

首次看到黑洞

爱因斯坦的广义相?#26376;?#35828;对了

百余年来人类探寻黑洞奥秘的脚步从未停歇

从爱因斯坦的广义相?#26376;?#29575;先预言黑洞的存在到惠勒提出黑洞?#22791;拍?#20877;到霍金提出黑洞是时空的扭曲者科学家们日益相信宇宙中存在许多大小不一的黑洞甚至在银河系的中心就有一个超大黑洞

多年来一些间接证据陆续证实黑洞的存在人类不断插上科幻翅膀勾画黑洞容颜

科幻电影也在不断?#23391;?#40657;洞影像在电影星际穿越中黑洞卡冈图雅是那深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆圈

就在4年前两个黑洞合并产生的引力波信号被科学家?#23433;?#25417;到成为科学界的一个里程碑事件人类开始听到黑洞

这一次人类终于眼见为实

此次露出真容的黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心距离地球5500万光年质量约为太阳的65亿倍它的核心区域存在一个阴影周围环绕一个新月状光环

这是人类获得关于黑洞的第一个直接视觉证据证实了爱因斯坦广义相?#26376;?#22312;极端条件下仍然成立参与国际合作的中方科学家中国科学院上海天文台台长沈志强说先?#37096;?#23398;家为我们这个世界搭建的理论模?#20572;?#20877;次经受住考验

上海天文台研究员路如森难掩兴奋黑洞的暗影区域和光环相当于打开一扇窗未来可以更好地重构黑洞吞噬的物理过程深入了解这个过程中发生的奇异事件

拍照?#35328;?#21738;儿

用全球8个观测点寻至暗信号

给黑洞拍照的难点在参与此次大科学计划的专家眼中可以用三个字来形容小暗扰细节太小信号太暗?#25159;?#22826;多

黑洞如此遥远寻找它如同从地球观察月球上的一个橘子需要的望远镜口径超乎想象况?#36965;?#36825;个望远镜还要足够灵敏?#25293;ܡ?#30475;?#20204;?#26497;其微小的细节

要给黑洞拍照依靠人类现有任何单个天文望远镜都?#23545;?#19981;够

这是一个难以想象的大科学计划用分布全球的8个观测点组成一个口径如地球直?#27934;?#23567;的虚拟望远镜条件?#37327;?#30340;观测点包括夏威夷和墨西哥的火山西班牙的内华达山脉智利的阿塔卡马沙漠南极点等

要顺利拍照不仅要看得远还要选对频道对黑洞?#19978;?#32780;言最佳的波段进行观测至关重要这个波段就在1毫米附近?#19978;?#30340;分辨率相当于能在黑龙江漠河阅读南沙群岛上的?#24509;?#25253;纸路如森说

不同的望远镜各有所长正是给黑洞拍照的这一特殊要求让包括中国天眼在内的一些大型望远镜束手旁观

专家解?#20572;?#36825;一波段的黑洞电磁波辐射最明亮而背景噪音的?#25159;?#21448;最小

拍照难洗照也不?#20303;?#26395;远?#23548;?#24405;下的海量数据需要进行复杂的后期处理和分析?#25293;?#33719;取最终的黑洞图像

跻身世界一流

中国成国际科学合作重要参与者

从首张月背照片到首张黑洞照片人类观测宇宙的新窗口正在不断打开在探索宇宙奥秘的征程中中国也不断贡献着智慧

我国科学家全程参与了给黑洞拍照这项国际合作在早期推动这一项国际合作望远镜观测时间申请夏威夷望远镜观测运?#23567;?#21518;期数据处理和理论分析等方面均做出?#26031;住?/p>

沈志强说基础科学研究的国际合作是大势所趋但很多时候不能只靠经费投入凑份子前期研究和人才积累是取得合作话语权的重要因素

从中国天眼(FAST)到世界巨眼(SKA)从人类基因组测序到泛第三极环境研究近年来中国参与国际合作的广度和深度不断加大在吸收世界创新养分的同时也不断贡献中国智慧

随着全球射电天文学方兴未艾接连涌现类星体脉冲星星际分子和微波背景辐射四大天文发现近年来我国陆续建成多座射电望远镜口?#27934;?5米到65米再到500米从追赶到并跑天文学研究开始逐步跻身一流

黑洞的顺利?#19978;?#19981;是终点主持?#20998;?#22320;区发布会的德国马克斯普朗克射电天文研究所所长安东岑苏斯强调未来还将增加望远镜的数量甚至对新的黑洞进行观测继续验证广义相?#26376;?#30340;有关预测借此了解星系的形成?#33073;?#36827;为人类解开更多奥秘

简介

黑洞照片主角

坐标室女座一个巨椭圆星系M87的中心

质量为太阳的65亿倍

距离?#27827;?#22320;球相距约5500万光年

形态中心为黑色的明亮环状结构看上去有点像甜甜圈其黑色部分是黑洞投下的阴影明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘

意义

这次发现直接证明黑洞的存在

将进一步探索周围气体的运动

对于这次发现的意义中国科学院大学教授国家天文台恒星级黑洞研?#30475;?#26032;小组负责?#26031;?#21033;军认为最直接的意义就在于人类第一次直接确认了黑洞的存在此前有很多间接证据证明黑洞的存在但不排除还有一丝是其他星体的可能性这次的发现就能直接说明黑洞的存在

对于黑洞研究的下一步方向苟利军认为科学家可能会进一步提高黑洞照片的清晰度这样我们?#37096;?#20197;去更进一步了解黑洞周围的环境此外他认为黑洞周围气体的运动也将是科学家进一步探索的方向之一

4问首张黑洞照片的拍摄

释疑

1.既然看不见怎么拍黑洞的照片

虽然科学家们看不到黑洞的本体但可以一直追溯到光子消失的视界这是我们能看到的极限

黑洞周围的确会存在一些发光的现象比如黑洞在吃掉周围的恒星时会将恒星的气体撕扯到身边形成一个旋转的吸积盘黑洞有时候也会打嗝一部分吸积气体会沿转动方向被抛射出去形成喷流

吸积盘?#22242;?#27969;都会因气体摩擦而产生明亮的光线以及其他频段的辐射

2.怎么寻找黑洞

科学家们可以通过黑洞对周围天体的影响来间接地感受到它的存在?#32469;?#26159;它巨大的引力造成的时空扭曲就像可以通过月亮的绕行轨道和速度来间接推测地球的质量

其次上文提到过吸积盘?#22242;?#27969;会产生发光现象伴随其他频段的辐射

最后黑洞与其他天体或另一个黑洞的相互作用会产生大量引力波也是可探测的线索

3.怎么拍出分辨率这么高的照片

全球望远?#24213;?#25104;阵列联合观测形成一个有效口径等于地球直径的大望远镜这个虚拟的大望远?#21040;?#20570;事件视界望远镜(EHT)由8台望远?#24213;?#25104;分别是南极望远镜位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵望远镜位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜墨西哥的大型毫米波望远镜位于美国亚利桑那州的亚毫米波望远镜位于夏威夷的麦克斯韦望远镜位于夏威夷的亚毫米波望远镜位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜它们在2017年4月对两个黑洞目标进行了联合观测

从2018年起又有格陵兰岛望远镜位于法国的IRAM NOEMA天文台和位于美国的基特峰国立天文台加入后续的研究和校准工作

全球一共60多个研究机构参与了研究其中包括中国科学院下属的上海天文台云南天文台?#28982;?#26500;以及华中科技大学南京大学中山大学北京大学中国科学院大学台湾大学等高校这也是中国上海和中国台北两地联合举办新闻发布会的原因

4.2017年拍的照片为什么现在才公布

黑洞照片拍起来难洗出来也难虚拟的大望远镜阵列并非直接拍出了黑洞的图像而是给出了许多数据必须经历复杂的计算机处理过程其中还有些缺失或模糊的部分需要科学家们拼图

此外在2017年4月的联合观测以后研究团队还进行了一些数据收集和校准的工作

纵深

黑洞其实不太黑洞也不是那个洞

黑洞这个恍若鬼魅的天体又开始侵袭我们的视野它是在时间和空间中形成的洞不断吞噬周围物质增加?#32422;?#30340;质量它也是光子的牢笼它贪得无厌永不停息地吞噬着周围的一切这是世人绘制的黑洞的经典图像既?#26376;?#21448;贪吃但真是如此吗

来者不拒有些黑洞很挑食

据物理学家组织网报道一些黑洞是贪婪的贪食者吸入大量气体和?#39029;G?#32780;其他黑洞则很挑食

同样是超大质量黑洞为什么贪吃的程度差别如此巨大?#31354;?#19968;问题一直以来都是困扰天体物理学家的难题

中国科学院国家天文台研究员陆由俊解释说原因是不同星系核心的环境不一样有的星系的中心由于受到诸如星系碰撞过程等的扰动气体沉积到中心黑洞附近为黑洞提供了丰富的食物以至于它们可以大快朵颐而有的星系中心区域则比较平稳只有少量气体能够到达黑洞附近使得黑洞不得不浅斟慢酌

只可远观会把人变成意大利面

尽管人们对黑洞的?#24825;?#39640;涨但其只可远观而不?#23665;?#36817;否则后果很严重简单来说如果你和黑洞靠得太近你就会就像意大利面一样被拉长这一现象有个极富创意的名字意大利面条效应之所以会产生这?#20013;?#24212;是因为人体各处受到的引力大小不同

如果你两脚朝下?#19978;?#40657;洞由于你的脚离黑洞更近它受到的引力将比头部受到的引力要大更糟糕的是由于胳膊并非位于身体中心它们被拉长的方向会与头部的朝向稍有不同你身体的边缘部位会被拉进身体里最后的结果是你的身体不仅被拉长了而?#19968;贡?#32454;了因此还没等你(或其他物体)抵达黑洞中心你就早早地变成了一根意大利面条

终极命运或随时间蒸发殆尽

1973年霍金在弯曲时空量子场论的研究中发现原来黑洞不黑原本经典理论上一毛不拔的黑洞在黑洞量子力学中?#37096;?#20197;通过一定的机制发射黑体辐射这就是霍金辐射

但我们又知道任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来黑洞怎么可能发射粒子呢量子理论给我们的回答是粒子不是从黑洞里面出来的而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的空虚的空间来的

霍金在时间简史中解?#32479;ƣ?#31354;虚的的空间充满虚粒子反粒子对它们被一同创生相互离开然后再回到一起并且湮灭如果黑洞存在带有负能量的虚粒子落到黑洞里可能会变成实粒子或者反实粒子这?#26234;?#24418;下它不再需要和它的伴侣相互湮灭了它被抛弃的伴侣可?#26376;?#21040;黑洞中去或者由于它具有正能量?#37096;?#20197;作为实粒子或反实粒子从黑洞的邻近逃走

而?#36965;?#40657;洞的质量越小其?#38706;?#23601;越高这样随着黑洞损失质量它的?#38706;群头?#23556;率增加导致其质量损失得更快因此小质量的黑洞霍金辐射强它们很快就会蒸发掉一个10-15克的黑洞?#24509;?#21457;掉所需的时间与宇宙的年龄相仿

45版稿件据新华社央视科技日报等

前世今生

探索简史

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