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刷屏黑洞照片背后,有17名中國(guó)科學(xué)家

 skysun000001 2022-05-13

昨晚,一個(gè)“甜甜圈”在朋友圈和各大網(wǎng)站上刷屏了。

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這就是銀河系中離我們最近的超大質(zhì)量黑洞的首張留影

全世界300多名天文學(xué)家們(17位來(lái)自中國(guó)大陸)花了足足5年,才總算搞清楚它長(zhǎng)什么樣。

這一突破性成果在全球各地(包括上海)同時(shí)召開(kāi)的新聞發(fā)布會(huì)公布于眾。

它除了視覺(jué)上“實(shí)錘”了上世紀(jì)70年代科學(xué)們就提出的“銀河系中心存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞”的推測(cè),也為理解這種居于大多數(shù)星系中心的“巨獸”的行為提供了寶貴的線(xiàn)索。

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 銀河系中心

那么,它究竟如何而來(lái),又為什么要花這么久?

離人類(lèi)最近的黑洞照片

很多人看到它的第一眼,都是怎么這么眼熟。

因?yàn)樗腿祟?lèi)拍到的第一張黑洞照片確實(shí)有點(diǎn)像。

人類(lèi)首張黑洞照片于2019年誕生,拍到的是離我們非常遙遠(yuǎn)的M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞,它來(lái)自河外星系的室女座星系團(tuán),質(zhì)量是太陽(yáng)的65億倍,距離地球5500萬(wàn)光年。

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現(xiàn)在這張照片里的黑洞離地球更近,拍攝過(guò)程也經(jīng)歷了更多困難,結(jié)果是通過(guò)數(shù)千張照片進(jìn)行分析取平均得來(lái)的。

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它就處于銀河系最中心,學(xué)名叫“人馬座A”,距離地球僅2.7萬(wàn)光年,質(zhì)量為太陽(yáng)的400萬(wàn)倍,被認(rèn)為是*研究黑洞物理的最佳目標(biāo)。

人類(lèi)發(fā)現(xiàn)宇宙最大的恒星r136a1,質(zhì)量也只是太陽(yáng)的265-315倍。

至于為什么這兩個(gè)黑洞處于兩個(gè)完全不同的星系,但呈現(xiàn)的樣子卻差不多,科學(xué)家表示,這說(shuō)明黑洞周?chē)镔|(zhì)都被廣義相對(duì)論這種相同的物理過(guò)程控制。

黑洞作為一個(gè)看不見(jiàn)的致密天體,由恒星一路從白矮星、中子星演變而來(lái),在1916年首次被德國(guó)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)。

在我們所處的銀河系中,就存在上億個(gè)黑洞,超質(zhì)量黑洞則有數(shù)百萬(wàn)個(gè)。

上世紀(jì)60年代,天文學(xué)家推測(cè)銀河系的中心存在著一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞,作為類(lèi)星體產(chǎn)生巨大能量的“隱形引擎”。

類(lèi)星體,就是類(lèi)似恒星的星體,其射電源釋放出的能量是包含千億顆恒星的銀河系的1000多倍。

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70年代,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銀河系中心確實(shí)存在著存在致密射電核。

從90年代開(kāi)始,世界各地的科學(xué)家開(kāi)始就利用周?chē)暮阈沁\(yùn)動(dòng)測(cè)量其存在。

2020年,美國(guó)和德國(guó)三位科學(xué)家因?yàn)榇_立了黑洞可在廣義相對(duì)論理論框架下形成的理論,以及觀測(cè)到了這個(gè)與推測(cè)相符合的超大質(zhì)量致密天體,獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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距離更近,為什么更難拍到?

黑洞雖然很大(直徑4400萬(wàn)公里),但離地球?qū)嵲谔h(yuǎn)。

為了一睹其真面目,2017年,國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)合作組織開(kāi)始將分布在包括南極在內(nèi)的不同地方的8臺(tái)毫米波望遠(yuǎn)鏡聯(lián)網(wǎng),組成相當(dāng)于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡(地球直徑1萬(wàn)2千多公里)進(jìn)行拍攝。

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具體來(lái)說(shuō),利用甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量技術(shù),科學(xué)家們?cè)诘厍蛏嫌涗洘o(wú)線(xiàn)電波到達(dá)的信號(hào),并用高精度的原子鐘進(jìn)行同步。

有了來(lái)自不同觀測(cè)站望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù),科學(xué)家們就能重建出一幅發(fā)生在數(shù)萬(wàn)光年之外的圖像。

大家可能還記得第一張黑洞照片也是這個(gè)組織拍到的。

不過(guò)它們都同時(shí)于2017年開(kāi)拍,為什么這個(gè)黑洞多花了3年?而且還在這個(gè)黑洞的距離離地球這么近的情況下。

原因其實(shí)有很多,比如:

1、相比M87星系中心黑洞的質(zhì)量太小,導(dǎo)致它周?chē)镔|(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度要快很多。這就導(dǎo)致原本好幾天時(shí)間里的變化,現(xiàn)在變成了在幾分鐘左右內(nèi)就會(huì)發(fā)生,所以觀測(cè)難度更大。

2、尺寸太小,導(dǎo)致其事件視界小而暗淡,對(duì)事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)提出了更高的要求。

所謂“事件視界”就是指黑洞中光線(xiàn)無(wú)法逃出的范圍,在“事件視界”之外的光線(xiàn)會(huì)被彎曲,但是有幾率逃出黑洞引力的“魔爪”,讓我們得以看見(jiàn)黑洞。

3、活躍度更低,此黑洞大概1000年才能吞噬一倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì),開(kāi)疆?dāng)U土的效率僅是M87星系黑洞的百分之一。這就導(dǎo)致它的吸積盤(pán)光芒較弱,很難被望遠(yuǎn)鏡捕獲。

靠近黑洞的物質(zhì)落入其中之時(shí),會(huì)形成像排水孔周?chē)粯拥匿鰷u,稱(chēng)為吸積盤(pán)。在這個(gè)過(guò)程中,氣體因引力勢(shì)能得到釋放被加熱到幾百萬(wàn)度,發(fā)出強(qiáng)烈的光。

4、周?chē)h(huán)境的干擾更多,主要是此黑洞所在的銀河系中心區(qū)域,星光繚繞,塵埃密布,會(huì)遮擋射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)視線(xiàn)。

由此可見(jiàn),這張照片的來(lái)之不易。

但這只是天文學(xué)家們未來(lái)研究中的一小步,EHT還將拍攝氣體繞轉(zhuǎn)黑洞的動(dòng)態(tài)過(guò)程,嘗試對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論進(jìn)行驗(yàn)證、探索黑洞周?chē)奈镔|(zhì)吸積和噴流的形成及傳播等等。

最后,需要提到的是,來(lái)自上海天文臺(tái)、華科大、上交大、中科大以及南京大學(xué)的我國(guó)17名科學(xué)家作為EHT的一員,也參與了這張照片的拍攝,負(fù)責(zé)了理論分析等方面的工作。

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 圖源極目新聞

參考鏈接:
[1]https://weibo.com/tv/show/1042211:4768462845968423?from=old_pc_videoshow

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/zKNJBMqCNrF5GFPzQmEzfg

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