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人類首張黑洞照片將于今晚亮相,你需要提前了解這些知識

 金麟167 2019-04-10

黑洞藝術(shù)圖。圖片來源:物理學(xué)家組織網(wǎng)

  4月10日晚九點,人類歷史上首張黑洞照片將在萬眾矚目之下揭開面紗。   

  注意!這可不是一張簡單的照片,而是一項“開創(chuàng)性的成果”,具有劃時代意義。

  不過,要想看明白黑洞照片,一些必需的知識儲備不可少。

  為了更好幫助廣大網(wǎng)友更好了解黑洞,我們特意準(zhǔn)備了這份含金量極高的知識大全,看完后,秒變黑洞達人。

1、黑洞到底是一種什么洞?

黑洞是一種具有極強引力,連光也無法逃逸的天體

  黑洞是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言存在的一種天體,具有非常強的引力,在它周圍的一定區(qū)域內(nèi),連光也無法逃逸出去,這個邊界稱為“事件視界”。

  宇宙中,根據(jù)質(zhì)量天文學(xué)家們將宇宙中的黑洞分成3類:恒星級質(zhì)量黑洞(幾十倍至上百倍太陽質(zhì)量)、超大質(zhì)量黑洞(幾百萬倍太陽質(zhì)量以上)和中等質(zhì)量黑洞(介于兩者之間)。

  其中一種理論模型預(yù)言的銀心的黑洞陰影以及周圍環(huán)繞的新月狀光環(huán),圖片來源:路如森,上海天文臺

2、人類是怎么發(fā)現(xiàn)黑洞的?

此前主要通過間接證據(jù),這次就要有圖有真相了

  乍一聽黑洞的名字,不少人以為是沒法看見的洞。如果沒法看見,那怎么就知道它存在呢?在這次拍照前,天文學(xué)家們是通過各種間接的證據(jù)來表明黑洞的存在,主要有3類代表性證據(jù)。

  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、氣體會產(chǎn)生影響,于是我們可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。

  第二,根據(jù)黑洞吸積物質(zhì)(吃東西)發(fā)出的光來判斷黑洞的存在。

  第三,通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。

  還有很多類似的證據(jù),無不說明了黑洞真實存在。但這還是間接的,我們想直接“看”到黑洞。

3、 為什么要給黑洞拍照?

在強引力場的極端環(huán)境下,驗證一項重要理論

  對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)。

  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(huán)境下驗證愛因斯坦的廣義相對論,并同時細致研究黑洞周圍的物質(zhì)吸積和噴流的形成及傳播。

  遙遠宇宙中擁有巨大黑洞的類星體示意圖(圖片制作人:李兆聿。背景圖片來源于NASA/JPL-Caltech和Misti Mountain Observatory) 

4、既然看不見黑洞,怎么才能拍出照片呢?

需要一個足夠大的黑洞和一個很牛的望遠鏡

  黑洞陰影和周圍環(huán)繞的新月般光環(huán)是非常非常小的。在拍照設(shè)備能力有限的情況下,要想拍攝到照片,就只能找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為對象。

  要對黑洞成像,必須要保證望遠鏡足夠靈敏,能分辨的細節(jié)足夠小,從而能保證看得到和看得清。

  此次拍照使用的視界望遠鏡(EHT),觀測所利用的技術(shù)就是毫米波VLBI,目前其工作波段在1.3mm,并且將有望擴展到更短的0.8mm。2017年4月份參加EHT觀測的8個臺站,實線連接的為觀測M87的7個臺站,虛線連接的為觀測一個校準(zhǔn)源(3C279)的臺站。

5、給黑洞拍照難在哪,為何制作圖片周期要有兩年之久?

數(shù)據(jù)量太大了,兩年算快的了

  首先,要選擇合適的拍照對象——近鄰的超大質(zhì)量黑洞是完美的黑洞成像候選體。其次,共同合作組成一個超級大望遠鏡——視界望遠鏡(EHT)。再次,必須在合適的觀測波段——毫米波。

  面對記錄的龐大數(shù)據(jù)量,進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)后期處理和分析,獲取最終的黑洞圖像。2017年4月份的EHT觀測中每個臺站的數(shù)據(jù)率達到驚人的32Gbit/s,8個臺站在5天觀測期間共記錄約3500TB數(shù)據(jù),如果是這么多電影的話,至少要幾百年才能看完!

6、人類為什么要研究黑洞?

研不研究,黑洞就在那里

  黑洞存在于宇宙中,這幾個理由決定了黑洞值得研究:

  第一, 在我們居住的銀河系中心有一個超大質(zhì)量黑洞,它的質(zhì)量大約400多萬倍太陽。

  第二, 大家都會會問,這顆超大質(zhì)量黑洞會影響我們的生活嗎?

  第三, 銀河系中除了這個超大質(zhì)量黑洞外,還有很多恒星級黑洞,它們和我們有關(guān)系嗎?

  第四, 黑洞和它所在的星系之間究竟有什么關(guān)系。

  此外,黑洞自身有一堆秘密,都非常神秘,等待進一步研究。

  銀心附近恒星的運動截圖,圖片來源:Keck/UCLA Galactic Center Group

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