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首张人类黑洞照片的背后(原创.科普.时评) 精选

已有 7301 次阅读 2019-4-10 16:49 |系统分类:科普集锦

沈海军

今天(2019年4月10日)下午接受广东卫视采访,就晚上21:00即将发布的人类首张黑洞照片发表了评论。提笔撰稿时,尚未到照片官方的发布时间,故不能一睹黑洞照片的芳容,但鉴于公众对此事高度关注,于是决定写一篇关于黑洞的文章,先给咱老百姓科普一下此次黑洞照片背后的故事。

一、什么是黑洞?

黑洞是宇宙中存在的一种密度极大体积极小的神奇天体。早在上世纪一十年代,就有人根据爱因斯坦广义相对论预言了黑洞的存在。黑洞质量极其巨大,具有超强的引力,物体,甚至光一旦进入其势力范围便会被吸入其中,无法逃脱,该势力范围学界称其为“黑洞半径”或“事件视界(Event Horizon)”。物体一旦落入黑洞,就会被扭曲、撕裂和“吞噬”。

根据质量,宇宙中的黑洞可分为三类,即恒星级质量黑洞,其质量约为太阳质量的几十甚至上百倍;超大质量黑洞,质量为太阳质量几百万倍以上;中等质量黑洞,介于前两者之间。一般来讲,黑洞的质量越大,黑洞体积也就越大。

长期以来,科学家们都是通过间接方式来证明黑洞是存在的。典型的方法有四种。第一种,根据黑洞周边恒星、气体的运动轨迹,揭示黑洞的位置和大小。黑洞有强的引力,对周围的恒星、气体会产生吸引作用,于是通过观测吸引作用对恒星、气体的影响来确认黑洞的存在。第二种,黑洞吸积物质,由于摩擦、引力作用,会发出热和光,这样便可以判断黑洞的存在。第三种,通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞,譬如中等质量黑洞吸积物质而长大成更大质量的黑洞。第四种,通过理论推导和理论模拟,论证黑洞的存在。

总之,理论研究和观测表明,宇宙中黑洞是确确实实普遍存在的。

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黑洞的理论模拟结果

二、黑洞是怎样形成的?

关于黑洞的形成,目前普遍认为有两种情况:1)恒星级质量黑洞是恒星塌缩的遗骸;2)超大质量黑洞则可能由中等质量黑洞吸积物质长大而成。当然,还有一些非主流的观点,譬如有人认为黑洞是在宇宙大爆炸之后形成的,还有人认为是在核反应中因出现大量能量所产生的。

关于恒星级黑洞形成的解释如下:

所有的恒星都是核聚变反应炉,在其中,轻元素(主要是氢)聚合成重元素。核聚变过程提供了恒星一生的大部分能量。不过,最终,核燃料耗尽,由中心产生的能量再也无力对抗外壳巨大的重量,引力开始起主宰作用。

当这一恒星收缩到某一临界半径(“史瓦西半径”,以德国物理学家、天文学家卡尔·史瓦西的名字命名,他是使用爱因斯坦广义相对论方程证明黑洞的确能够形成的第一人)时,其表面上的引力变得如此之强,以至于光线再也逃逸不出去。

根据相对论,没有东西能行进得比光还快。如果光都不能逃逸出来,其他东西便更不可能:所有东西都会被引力场拉回去。这样,就出现了一个事件的时空区域,光或任何东西都不可能从该区域逃逸。这一区域就是黑洞,黑洞的边界就是事件视界。

对于超大质量黑洞的形成,目前常见的解释如下:

在宇宙早期,曾经存在质量可达太阳万倍以上的巨大恒星,它们寿命短促,最终塌缩成中等质量的黑洞。百万倍太阳质量超大黑洞可能是一个中等质量黑洞吞噬了足够多的物质逐渐长大后形成的,也可能由几个早期宇宙中的中等质量黑洞合并而成。

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超大质量黑洞从附近天体上剥离物质并“吞噬”

 三、今晚将公布的黑洞照片是咋回事?

为了能够直接拍摄到黑洞照片,2017年4月5日,一个国际合作的天文项目“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope,EHT)着手对两个特殊的天体进行观测:距离地球25000 光年,位于银河系核心人马座A,以及距离地球5300 万光年的M87 室女座星云。这次观测的目标不是常规的天体,而是两个超大质量的黑洞。“事件视界望远镜”的观测将让人类第一次看到黑洞的真实样子。

EHT不是一个传统观念的观测平台,而是横跨多个大陆(包括南极洲),由位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的若干个射电望远镜组成的观测阵列,它通过“甚长基线干涉技术”(VLBI) 和全球多个射电天文台协作,相当于构建了一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜。

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EHT观测平台

EHT由全球200多位科研人员共同达成的重大国际合作计划,它的建设和此次拍摄的照片是全球很多人花了很多时间和精力才凝结的一个成果。

今天晚上美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京等地将同时召开新闻发布会,公布EHT拍摄的黑洞照片。

从2017年4月黑洞照片“开拍”到今天照片即将公布,黑洞照片的“冲洗”花费了约两年的时间。尽管照片晚上21:00才能公布,但网络上该事件传播开来,被普遍认为是“一项人类开创性成果,将成为人类有史以来直接获得的第一张黑洞照片。”

     四、黑洞照片相关的两个问题

最后,罗列一下下午接受广东卫视记者采访的问题。

Q1这次拍下的黑洞照片对于天体研究有何重大意义和推动作用?

答:本次黑洞照片以一种直接(直观)的方式,证实了黑洞特别是银河系人马座A*黑洞的存在,这是人类历史上的第一次。人类此前是做不到这一点的,黑洞以往观测采用的都是间接方式。众所周知,每一个超大星系的中心都存在着一个黑洞,黑洞的行为主导着星系乃至宇宙的运行和演化。此次黑洞拍照最大的意义在于表明人类已经成功掌握了一种直接观察黑洞的技术手段,这对于我们未来研究银河系、宇宙的演化具有重大的科学意义。

Q2. 黑洞照片的拍摄和冲洗有何难度,需要攻克的难点在哪里?

答:这里的黑洞“拍照”,不是我们传统的摄影和洗胶卷。其存在的难点主要在于两个方面。其一、“拍摄”照片的数据量非常大,全球各地8个分布式天文台射电望远镜整整工作了10天,每天会产生数千TB的海量数据;这些数据先存到硬盘中,然后运往德国和美国数据中心,接着作为原始数据在数据中心的超级计算机上计算、处理上几个月,才能得到最终的照片数据。其二,数据处理、分析的技术难度巨大,譬如数据如何处理、如何整合与取舍、数据处理程序的编辑、软件的调试、使用的算法、数据处理结果是否有效等等,都需要众多科技人员投入大量的精力。

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恒星级黑洞系统示意图



广东卫视,网络连接http://v.gdtv.cn/news/jrjd/2019-04-10/1951640.html

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