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史上第一张黑洞来了!这件事为什么那么重要?

2019-09-24 15:12编辑:admin人气:


人类史上第一张黑洞照片来了。

4 月 10 日 21 点,「变乱视界千里镜」(Event Horizon Telescope, EHT)名目在环球六地布鲁塞尔、圣地亚哥、上海、台北、东京、和华盛顿同时召开了发布会,正式颁布了这项划时代的严重结果。

这次名目由环球多个国度和地区的 200 多位科研人员组成,是一个以观察银河系中间特大品质黑洞为主要目标的计划,观察核心便是银河系中间黑洞人马座 A* 和 M87 椭圆星系中间黑洞,这次发布的,便是后者的黑洞图象。

▲ 上海新闻发布会现场

从照片能够看出,黑洞就像一个黑色球体,中间暗弱部门为「黑洞阴影」,而四周的环状不对称布局是由于强引力透镜效应和相对论性射束(beaming)效应造成的。

由于黑洞不停在扭转,让它的图片看起来就像是一个不对称的发光漩涡。

而说到黑洞,你脑海里能够呈现的便是「幽暗不见底」和「万物皆可吸」。

起首,黑洞不是洞,是天体。作为最奥秘的预言宇宙天体之一,黑洞品质极大密度极高,四周会发生巨大的引力场,它附近一切物资都难逃一吸,连宇宙中传播速率最快的光,也无奈在黑洞中实现出它的出色射程。

▲ 黑洞的艺术构想图

而黑洞四周引力巨大的区域,就被称为「变乱视界」,只要跨过这个边界,统统物理定律在此都会失效,「变乱视界千里镜」拍摄的便是两个黑洞的这一部门。

1915 年,爱因斯坦在广义相对论中最先预言了「黑洞」,1968 年,美国天文学家惠勒正式提出黑洞「black hole」的名词,固然之后也呈现过一些黑洞的间接影像能够证明它身处星河当中,但没人见过黑洞的真正样貌。

▲ 黑洞图象的的模拟、丈量、和重建,图片来自:Katie Bouman and Jason Dexter

100 多年后的今天,人类第一次能够直接确认黑洞的存在。

同时,迷信家也表示,该图象的特征和爱因斯坦的广义相对论完全一致,进一步验证了它的正确性。

多么幸运,咱们成为了第一批目睹黑洞真容的人类,也能够是宇宙中第一批亲眼看见黑洞的碳基生物。

黑洞照片是怎么拍出来的?

从洪荒时代起,人类就从未停止过对头顶奥秘星空的眺望。

2017 年 4 月,「变乱视界千里镜」开端捕捉黑洞「变乱视界」的清晰图象。这次「变乱视界千里镜」的观察行动,能够说是史上最难的星际观察名目之一。

▲ 图片来自:美国哈佛 – 史密森天体物理学中间网

起首,人马座 A* 间隔地球 2.6 万光年之遥,品质约即是 400 万个太阳,视界半径约 2400 万公里,而 M87 中间间隔地球 5500 万光年,约即是 64 亿太阳品质。按迷信家的说法,单给人马座 A* 摄影的难度就差不多即是「给月球表面的一个苹果摄影」。

其次,拍摄技巧、拍摄光阴、拍摄位置都让名目研讨变得加倍举步维艰。

于是,研讨人员决定将分布在环球各地、横跨南北半球的 8 个射电望眼镜结合起来,组成一个相当于地球最大直径的大型虚拟望眼镜停止观察。

▲变乱视界千里镜的环球观察网络. 图片来自: Nature

这里用到的观察技巧,便是「甚长基线干涉丈量」(VLBI)。经由过程这种技巧,能将多个千里镜结合成一台孔径更大的千里镜,让间隔再也不成为限制。两个射电千里镜和一个数据处置中间,就能够配合观察遥远的类星体和河外星系。

由于黑洞自己是看不见的,这里的拍出的图象,其实是由于黑洞在「吃掉」身边恒星时,气体撕扯会发生扭转的吸积盘,加之部门吸积气体也会沿转动方向被抛出去形成喷流,这些气体摩擦都发生了明亮的光芒,再加之其他频段的辐射,因此能捕捉到这些黑洞的发光现象。

▲黑洞和积吸盘的艺术想像图 . 图片来自:Wikipedia

当 8 个射电望眼镜结合启动,VLBI 网将各射电千里镜接收到的旌旗灯号转化为数字旌旗灯号记录在磁盘上,然后经由过程数据中间处置和阐发,就能够获得观察目标的射电精细布局图象,最高分辨率可为哈勃空间千里镜的数百倍。

这样,咱们就能够看清「月球上的苹果」了。

为达到这次拍摄的极高分辨率,包含中国迷信院下属的天文台机构和高校等环球 13 多个研讨机构都介入进来开展研讨、校准工作。

而且,不止「拍」照片难,「洗」照片更难。

这不是咔嚓一下就能够实现的摄影过程。下面提到,经由过程 VLBI,要将变乱视界千里镜的一切观察数据集合、整理。跨越南北半球的庞大的天文台资料,不能经由过程网络传输,必要极大储存容量的硬盘网络并邮寄到研讨中间。

一次普通的 5 天观察,全部整列就会发生约 7PB 数据(1PB=1000TB=1000000GB),装满 1000-2000 个硬盘。

为了防止地球大气中的水汽阻碍数据接收,还要将观察站摆在干燥高地,但惯例硬盘无奈抵抗低气压。墨西哥内格拉火山多顶(海拔 4580 米)的千里镜的 32 个惯例硬盘里就有 28 个无奈运作,最后只好改装成氦气封装硬盘。

▲ 图片来自: EHT

同时,计算机停止后台处置和阐发海量数据也必要极长光阴,各个站点网络的数据都被汇集到美国和德国两个数据中间,计算机集群要对数据光阴停止合并和阐发,缺失或模糊的部门,都必要迷信家停止拼图完善。

单生产出这张黑洞照片,研讨人员就用了 2 年左右光阴。

固然照片看起来依然是一片迷幻的「混沌」(待确认),但这次汗青性的窥测,也是人类史上一块刺眼的丰碑。

照片的意义,不止让人类见到黑洞

这次的严重发明,不只让咱们能接触到黑洞的实在面孔,更重要的是,帮咱们验证了爱因斯坦广义相对论和黑洞的物理性质,包含黑洞实在品质、直径、自转速率……

中国迷信院国度天文台研讨员苟利军说道:

黑洞四周会有很多分流,分流对于全部星系,和星系演化,都起着异常重要的作用。但咱们不是特别清楚它是如何发生的,咱们看到黑洞四周的状况,能帮咱们解决最基础的迷信成绩。

▲图片来自:新华社采访截图

这只是一个开端,将来 EHT 还会带来更多前所未有的迷信结果。而这次黑洞的名目结果,无疑让咱们进入了一个展示光阴、空间、光和物资深刻本质的加倍深邃的新视野。

▲ 介入 EHT 的中国迷信家

EHT 也表示后续还会给更多黑洞停止摄影及研讨,人类将能更深入地懂得宇宙。

包含与黑洞恰好相同的宇宙天体:白洞,它也是一个强引力源,但引力是从内往外,任何物资和光芒都无奈进入此中。固然白洞异样是由实践推导而出的设想天体,但值得注意的是,当黑洞和白洞衔接,此中的那条特别通道便是咱们更加认识的——虫洞。

假如有一个宇航员掉入黑洞,被黑洞的潮汐力撕成原子组成的涓涓细流,那它也很有能够在高速自转的黑洞白洞中进入多维空间地道,也便是在虫洞当中,开端一段新的太空观光。

▲ 图片来自:《星际穿越》

这也是 2014 年诺兰经典的《星际穿越》脚本起源,咱们经由过程它初次在荧幕上见到了最接近迷信真相的黑洞图象「卡冈图雅」。而下面迎接那个宇航员的或者也不是灭亡,而是另一片新的宇宙。

统统都在不断用实践验证的途中,人类骨子里总是沸腾着不安的血液,胸腔里跳动着咱们配合的将来。「生于凡尘,归于星辰」或者将再也不只是想象中的美好结局。

这也让咱们再次意识到:地球不该是人类归宿的唯一答案。

▲ 图片来自:《星际穿越》

无论是星际观光,还是移居火星,在今朝地球资源开端一步步走向枯竭的境地下,用环保和技巧来延迟地球寿命必不可少,但也许这恰好是个完美的过渡时代,借此将人类更重要的思维和力量投向群星璀璨的太空当中。

霍金在晚年时代也对人类的将来忧心忡忡。他认为地球和人类正面临着严峻的内忧外患,除了人工智能和气候成绩将导致人类灭亡地球毁灭,外星人还能够随时入侵地球……

他曾在 2016 年在剑桥大学的一次演讲中表示:

为了人类的将来,咱们必须进入太空。在不离开这个脆弱的星球的情况下,我不认为咱们能活过下一个 1000 年。

固然就算是黑洞,也能够有灭亡的一天。

在霍金的黑洞热力学中,提出了「黑洞蒸发」的实践。也便是说,在异常遥远的将来,当宇宙背景辐射温度降到黑洞温度以下,此时黑洞就会向外辐射物资和能量,而黑洞自己则将慢慢消散。

当然了,人类能够根本等不到那一天,毕竟根据霍金的估算,一个品质是太阳 10 倍的黑洞,大概要花 10^{70} 年消散,而宇宙今朝的年龄也只有 10^{10} 年。

不过至少现在活在地球上的咱们,还能继续坚持热忱、坚持天真,在混杂着希望和绝望的文明里抗争相搏,在有限的生命里探索着人类和宇宙无限的能够性。

固然渺小,却也伟大。

(来源:未知)

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