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这是第一张事件视界的照片,他的意义不言而喻

黑洞是真实存在的,视界非常壮观

图解:2017年4月,事件视界望远镜合作项目在全球使用8个射电望远镜阵列指向室女A星系(星系87)进行为期5天的观测结果。这就是超级黑洞的真实影像,其事件视界清晰可见。(图片源于:事件视界望远镜合作组织及相关组织)

多样性不仅仅是生活的调味品,也是宇宙生命发展的自然结果。遵循普遍定律,重力在众多组合物中创造了多种物质集群。小到稀薄的大气,大到巨大恒星,聚集成了星系、云团以及巨大的宇宙网。

身处地球的我们虽可以看到浩瀚的宇宙,但也仅仅是管中窥豹,只见一斑。当最大质量的恒星死亡,黑洞便形成了:此时巨大的质量被塞入一个非常小的体积内,任何信号都无法逃离出去。这也是我们可以探测到黑洞周边的物质和光,却看不到事件视界内的原因。

第一次成功获取事件视界的影像,是我们科学界一个不可思议的巨大成功。

黑洞是真实存在的,视界非常壮观

图解:从地球上观测到的视大小居第二的黑洞–位于M87星系的中心–是银河系黑洞质量的1000倍,与地球的距离是银河系黑洞的2000倍。M87黑洞中心喷出的相对论喷流是迄今为止发现的最大、最直的喷流之一,也是我们发现的首个事件视界。(图片源于欧洲航空局/哈勃望远镜(ESA/HUBBLE)、美国国家航空航天局(NASA)官网)

一、我们看到了什么?

我们所观测到的内容取决于我们的观测点、观测方法。如果我们想看到事件视界,则地球视角里最大的黑洞便是观测的最佳选择,这就意味着要使黑洞的实际大小与距地球的距离的比值最大。然而宇宙中可能存在着数亿个黑洞,迄今为止,我们所知道的比值最大的黑洞位于距离地球大约25000光年的银河系中心。

基于事件视界的视大小,银河系中心黑洞是地球可见的最大的黑洞,其质量相当于400万颗太阳。而视大小第二的黑洞是位于M87星系中心的黑洞,它与我们之间的距离约为6000万光年,且质量远超银河系黑洞,相当于66亿颗太阳。

黑洞是真实存在的,视界非常壮观

图解:事件视界望远镜捕捉到的6000万光年以外M87黑洞事件视界的本来面目。事件视界望远镜重新计算出黑洞的质量约为66亿太阳质量。(图片源于事件视界望远镜组织及相关机构)

此次事件视界望远镜的观测目标为银河系黑洞(人马座A*)以及M87星系黑洞。最初,科学家们预计银河系中心的黑洞(人马座A*)比M87星系黑洞稍微大一点,可惜至今却未得出任何关于人马座*的图像。

当我们观测宇宙的时候,并不是总能顺利地达到我们的目标。我们得到的更多是宇宙展现给我们的一面,因此尽管人马座A*在视觉上更大,科学家却率先观测到了M87星系黑洞,因为它更明亮,传递的信号更清晰。

我们的探测结果是非常壮观的,图像中心的那些小黑点,其实是事件视界本身的轮廓。我们探测到的光来自事件视界周围会产生电磁辐射的高速高温的物质,这些物质存在的地方就一定会有无线电波,黑色圆形区域就是因为事件视界隔离了这些无线电波所形成的。

黑洞是真实存在的,视界非常壮观

图解:X射线/红外线成像。来自银河系中心黑洞-人马座A*,人马座A*被炙热的不断发射X射线的气体所包围着,其质量相当于400万颗太阳。(X射线:NASA/麻省大学Amherst/王博士及其他相关机构,红外线:NASA/太空望遠鏡科學研究所)

对于M87,我们看到了我们所期望看到的一切。而人马座A*,我们就没有那么幸运了。当我们观察一个黑洞的时候,我们尝试观测的是星系中心超大质量黑洞周围的无线电背景。而黑洞的事件视界就在这些无线电的前面,形成一个轮廓。想要获取这样的影像,必须满足以下三点要求:

1、合适的分辨率。这意味着你想要看到的物质在你的望远镜(或望远镜陈列)里至少必须是一个以上的像素。

2、星系拥有高强度无线电波。这意味着你所观测的星系中的无线电背景要足够强,才能和视界的轮廓形成鲜明对比。

3、透明射线。这意味着可以不受前景信号的干扰,顺利地到达黑洞.

黑洞是真实存在的,视界非常壮观

(上图:喷流-来自哈勃望远镜/NASA/WIKISKY。左下图:电波成像-来自美國國家電波天文台/射电望远镜甚大天线阵。右下图:x射线成像-来自NASA/钱德拉X射线望远镜)

上图为地球上视大小第二的黑洞—M87黑洞的三个角度观测图。上图为哈勃望远镜拍摄到的M87黑洞喷流。左下图为美國國家電波天文台(NARO)的电波成像,右下图为钱德拉X射线望远镜(Chandra)拍摄的X射线成像。

尽管M87黑洞与地球距离比人马座A*还要远2000倍,但其质量相当于66亿颗太阳,因此科学家通过事件视界望远镜成功观测到了M87黑洞,而不是天马座A*。

我们已经在不同波长的光线中观察过多次黑洞周围的发射的电波,包括光谱的无线电部分。M87满足所有三个必要标准,而银河系黑洞却没有足够的信噪比产生图像。我们对地球视野中两大黑洞的成像都非常感兴趣,可惜我们目前仍无法按照自己的意愿去观察宇宙。

在地球上能看见的第三大黑洞位于遥远的NGC 1277星系中心。尽管视界望远镜能将触及这个星系,但是这里的无线电波非常弱,以至于黑洞的轮廓无法显现。第四大黑洞位于仙女座星系,与我们的距离并不遥远,但即使我们使用视界望远镜,也观测不到他的轮廓。

黑洞是真实存在的,视界非常壮观

图解:事件视界中不同望远镜的视图,有助于“事件视界”望远镜有地球半球的成像能力。数据是从2011年至2017年持续收集,尤其是2017年的数据,足以帮助我们首次构造出黑洞的事件视界图像。(阿塔卡马探路者实验(APEX), IRAM 30米望远镜(IRAM), G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT/JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO/C. MALIN)

二、我们是怎么看见黑洞的呢?

这是最吸引人的部分。与任何其他望远镜一样,事件视界望远镜需要收集两方面的数据才能交叉得出某个阈值。

事件视界望远镜需要足够的光照才能区分信号和噪声、区分无线电强、弱的区域,区分黑洞周围的区域和星系中心的其他区域。

事件视界望远镜需要极高的分辨率才能精准地在宇宙中定位。

只有满足以上两点,事件视界望远镜才能帮助我们看见宇宙物体,其中就包括黑洞。由于黑洞的角度非常小,想要利用事件视界望远镜看见它需要克服很多困难。

图解:据估计,银河系中心的黑洞是地球视大小最大的。就在2019年4月10日,事件视界望远镜首次得到了黑洞视界的图像。事件视界的大小(白色部分)与无光照区域的大小(黑色部分)的比值与广义相对伦的推断和黑洞本身的质量完全相符。 (UTE KRAUS, PHYSICS EDUCATION GROUP KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; BACKGROUND: AXEL MELLINGER)

因为黑洞周围区域的运行速度很大,区域内由带电粒子组成的物质会产生强大的磁场。当一个带电粒子经过磁场,就会产生辐射,这就是无线电信号产生的原理。即使一个直径只有几米的中型电射望远镜,也足以收到这些信号。要想在噪音中收集到有用的信号,一定的聚光能力是很容易满足的,但是分辨率要达到要求就很有挑战性了,这完全取决于能穿过望远镜的直径的不同波长的光的数量。要想看到星系中心体积很小的黑洞,我们需要一个直径为5000米的光学望远镜;在电波较长的星系中,我们甚至需要直径长达12000000米的望远镜。

黑洞是真实存在的,视界非常壮观

这张图标出了观看视界望远镜(EHT)和全球毫米VLBI阵列(GMVA)的望远镜具体位置。它第一次成功为质量极大的黑洞事件视界成像。(ESO/O. FURTAK)

这就是为什么事件视界望远镜如此强大而聪慧。它观测黑洞时所运用的技术被称为特长基线干扰测量法(VLBI),而这种技术需要至少两台望远镜,可以从两个不同位置进行相同类型的测量,并将两个它们结合在一起。

同时利用各地的望远镜测量,你不仅获得两个碟形望远镜收集的数据的汇总,还能利用碟形望远镜之间的距离进行推断。将多个望远镜分布在跨越地球直径的地方,这样我们就能收集到能让我们看到视界的所有数据了。

黑洞是真实存在的,视界非常壮观

图解:计算能力与数据运行速度始终是EHT所做研究的限制因素。原EHT研究开始于2007年,那个时候还完全不能实现今天的数据处理。以下是科学家Avery Broderick在一段谈话中的节选。(PERIMETER INSTITUTE)

“数据传输率真的让人难以置信:

·它能够以每秒2300亿次检测的速度记录一段电波。

·相当于每个站点每秒记录8GB的信息。

·8个站点的望远镜同时不间断运行一小时,观测数据则高达225TB。

·持续工作1周,就能收集27PB(拍字节)的数据!

科学家从M87星系收集到的数据整整有5PB,所有的这些数据都是为了得到一个黑洞的成像。”

黑洞是真实存在的,视界非常壮观

图解:麦哲伦星云下的阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波天线阵(ALMA) 大量碟形天线组成了ALMA的一部分,它们为收集宇宙中的细节图像做出了巨大贡献。少数碟形天线分布在较远的地方,它们负责观测明亮处的细节。正因为ALMA收集到的数据与视界望远镜所收集的信息结合在一起,才能使黑洞视界的成像成为可能。(ESO/C. MALIN)

三、我们收获了什么?

我们的收获还是可观的,在未来一段时间会公布更过细节详情。但是,现在我们有4个重大收获可以分享给大家。

第一,黑洞是确实存在的!这一点是最重要的。人类提出了很多黑洞不存在的可能性,但是这一张事件视界的直接成像足以推翻所有的疑虑。我们现在不仅仅有来自LIGO科学合作组织的间接证据-星系中心周围轨道引力的测量以及来自X射线双星的数据,我们还有直观的视界图像。

第二,广义相对论又一次对了!这太令人兴奋了!运用爱因斯坦的理论,科学家预测到视界不是扁圆形的或扁长的,而是球状的。另外,没有无线电的区域大小则完全取决于黑洞的质量。据广义相对论推断,最内层稳定的圆形轨道,正是最后逃离黑洞引力的明亮光子。

在一个全新的检验形式中,广义相对论再一次完胜!

黑洞是真实存在的,视界非常壮观

图解:基于黑洞相对于我们的方位,我们对银河系黑洞在视界望远镜中的成像进行了模拟(该模拟基于以下假设:事件视界存在、相对论等式成立、所有参数都适用于该系统)。这些模拟实验从2009年开始,已达10年之久。(IMAGING AN EVENT HORIZON: SUBMM-VLBI OF A SUPER MASSIVE BLACK HOLE, S. DOELEMAN ET AL.)

第三,我们对黑洞周围无线电的预测模拟是非常成功的!这让我们不仅可以非常获知黑洞周围的环境,还掌握了环绕黑洞运行的物质和气体的动力学。这是非常了不起的成就!

第四,我们知道了通过引力推断出的黑洞质量是正确的,而通过X射线观测中推断的黑洞质量整体偏低。对于M87星系,这两种估计值的差异系数为2;对于人马座A*,两种估计值的差异系数为1.5。

我们现在知道了“重力”是一个研究方向,因为通过M87星系重力推测的66亿太阳质量和视界望远镜估计的65亿太阳质量高度一致。而用X射线观测的结果则偏低。

黑洞是真实存在的,视界非常壮观

图解:我们在银河系中心的超大质量黑洞周围发现了大量恒星。在红外线观测下,这些恒星的轨道可以在人马座A*几光年内被跟踪到,有助我们估计中心黑洞的质量。相似的计算方法也被用于M87星系的黑洞计算中,但要更复杂一些。通过M87星系直接地解析黑洞,我们就能清楚的看到通过引力推断出来的质量与视界望远镜观测的实际数值更匹配。而X射线观测的结果却不然。 (S. SAKAI / A. GHEZ / W.M. KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

通过事件视界望远镜的科学研究,我们将会获知到更多的东西:我们可以了解黑洞为什么会爆发、吸积盘中是否会出现类似热汽泡的瞬态特征;我们可以通过中心黑洞的位置变化推断出大质量黑洞周围那些更小的不可见的小黑洞;随着我们对黑洞越来越多的认知,我们可以了解重力和X射线这两种计算黑洞质量的方法是否适用于所有宇宙物质;我们还可以了解吸积盘是否与宿主星系有固定的相对位置。

黑洞是真实存在的,视界非常壮观

图解:吸积盘不同的方向会使我们观测到的黑洞成像截然不同,上图左边两张是黑洞的正面,右边两张是黑洞的边缘。我们现在还不太清楚黑洞和吸积盘之间是否存在一种固定的排列或随机排列。(‘TOWARD THE EVENT HORIZON — THE SUPERMASSIVE BLACK HOLE IN THE GALACTIC CENTER’, CLASS. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013))

基于目前的观测结果,我们不能解决这些问题,但这仅仅是研究的开端呀!我们处于能够利用视界望远镜直接观测黑洞的时代,我们清楚地知道黑洞存在,我们确定事件视界是真实的,我们知道爱因斯坦的引力理论(星系中心的超大质量物体就是黑洞)被一种前所未有的方式证实了,关于星系中心的庞然大物是不是黑洞的疑虑被解决了。

黑洞是真实存在的,而且它们十分巨大。由于视界望远镜的惊人成就,我们看见了人类从未见过的宇宙频谱中的无线电部分。

原文链接:http://www.toutiao.com/a6752681818912195080

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