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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    倒計時!活久見!黑到誰都看不見的黑洞爆照了!

                    2019-07-23 22:35:00

                      北京時間4月10日21:00,全球六地(比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海、中國臺北、日本東京、美國華盛頓)同時召開新聞發布會,發布來自事件視界望遠鏡的最新重大成果——黑洞的史上第一張照片!也就是說,我們將是第一波看到黑洞真面目的人類!

                      你可能會問,黑洞那么黑,連光都逃不出來,沒有人能“看見”它,但是這照片是怎么拍出來的呢?誰這么神通廣大,能給黑洞拍照呢?

                      南極廣袤的冰原上,有一面射電天線在轉動。智利海拔近5000米的沙漠中,另一面天線在掃描天空。與此同時,位于美國加利福尼亞州、亞利桑那州和夏威夷以及墨西哥和西班牙的天線也在接收來自宇宙的信號。盡管它們彼此間隔遙遠,但這些射電天線卻一同構成了一個大膽的計劃——一架直徑與地球直徑相當的望遠鏡。這就是“事件視界望遠鏡”。從2017年開始,天文學家用它來一睹黑洞的心臟。

                      挑戰廣義相對論

                      普通的黑洞是大質量恒星死亡的遺跡,質量是太陽的數倍到數十倍,而星系的核心處潛藏著的超大質量黑洞,質量可達太陽的數百萬倍到數十億倍。雖然質量巨大,但黑洞卻是宇宙中最致密的天體。極端的致密程度使得黑洞具有令人難以置信的超強引力,能夠扭曲其周圍的時空結構。在某一個確定的點——事件視界(簡稱視界)上,黑洞的引力會強大到連光也無法逃逸。因為那里的時空曲率會達到極端的數值,所有逃逸路線最終都會直接“折返”到黑洞。黑洞興許是宇宙中最“恐怖”的天體。

                      對于黑洞視界周圍最好的認識來自愛因斯坦的廣義相對論。然而,許多物理學家懷疑,在最強的引力場中廣義相對論可能會失效。黑洞的視界也許是宇宙中廣義相對論不再靈驗的地方。對于尋求將廣義相對論和量子理論統一到一起的物理學家來說,發現廣義相對論的破綻無疑將是一條激動人心的好消息。如果廣義相對論被證明確有缺陷,這就有可能為一個更深層且更基本的宇宙理論提供線索。

                      到目前為止,廣義相對論以優異的成績通過了各式各樣的檢驗,其中包括最近發現的來自黑洞碰撞的引力波。但迄今這些檢驗都局限在相對較弱的引力場中。銀河系中心黑洞的潮汐力比探測到引力波的那次黑洞碰撞強1億倍。因此,超大質量黑洞成為檢驗愛因斯坦廣義相對論的天然實驗室。

                      其中的關鍵是找到黑洞的“影子”。由于黑洞的強大引力,光會在它周圍環繞打轉,由此形成一個由光子所組成的環,被這個環所包圍的陰影區被稱為“影子”。愛因斯坦的理論預言它應該大致呈圓形。任何與圓形影子的顯著偏差都被視為廣義相對論失效的證據。

                      美國科幻電影《星際穿越》中黑洞視界附近的計算機模擬圖?!缎请H穿越》的科學指導是物理學家基普·索恩(也是2017年諾貝爾物理學獎的獲得者),所以這部電影為黑洞塑造了一個迄今為止最逼真的銀幕形象。

                      對此進行檢驗的最佳對象是銀河系中心的超大質量黑洞人馬A*。從20世紀90年代中期開始,天文學家就一直在監測銀河系的中心,發現那里的恒星圍繞著一個看不見的天體運動。根據這些恒星的運動特性,可以推測出銀心黑洞人馬A*的質量高達太陽的400萬倍。然而,為了使這些恒星仍停留在穩定的軌道上,該黑洞的視界必須很小——事實上,人馬A*的視界半徑大約只有水星繞太陽軌道的三分之一。

                      高分辨率

                      要想通過人馬A*的影子形狀來檢驗廣義相對論,唯一的途徑就是觀測其視界近旁所發生的現象,但這談何容易。人馬A*的視界不僅本身就很小,而且它還遠在26000光年之外,這讓問題變得難上加難。從理論上講,對于太空中較小的天體,必須使用更高分辨率的望遠鏡才能看到。

                      看到人馬A*影子所需的分辨率是哈勃空間望遠鏡的2000倍,這相當于在地球上分辨出放在月球上的一個柚子。對于望遠鏡來說,直徑越大,其分辨率就越高。因此,構成事件視界望遠鏡的天線必須間隔十分遙遠。使用被稱為甚長基線干涉測量的技術,天文學家可以綜合分別位于四大洲的天線所收集到的信號,得到一幅如同一架望遠鏡所看到的圖像,而這架望遠鏡的直徑則與地球相當。

                      為了把這些相距遙遠的信號綜合到一起,需要使用高精度的原子鐘記錄信號到達不同望遠鏡的時間。每秒所記錄下的數據量可達64GB,與一臺iPad的容量相當。每一個觀測點會存儲數百TB數據,然后這些硬盤將被空運到位于美國麻省理工學院的中央機構,在那里它們會被合成為一幅圖像。

                      拍攝時空

                      盡管有許多挑戰,但事件視界望遠鏡項目正在有條不紊地進行,有許多望遠鏡已經加入其中。第一批觀測可以追溯到2006年,此后它一直保持著對人馬A*的監測。目前的事件視界望遠鏡還沒有達到直接觀測人馬A*視界所需的分辨率。但是,情況即將發生改變。位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列很快就會加入進來,此舉可以把事件視界望遠鏡的靈敏度提高10倍。

                      阿塔卡馬陣列由許多面射電天線構成。天文學家已經測試了一種將其30個接收機加入事件視界望遠鏡的辦法。2016年4月,他們又前往事件視界望遠鏡的不同站點,開展了進一步的試驗。

                      借助事件視界望遠鏡,人類第一次直擊黑洞視界的樣子,而這不單單能對廣義相對論進行檢驗。銀河系中心的超大質量黑洞看似巨大,但和星系M87中心質量為太陽70億倍的黑洞比起來卻相形見絀。M87是一個橢圓星系,從它的中心射出了一道長5000光年的巨大噴流。此前事件視界望遠鏡對M87噴流的根部進行了觀測,但形成該噴流的機制依然不明。

                      天文學家認為,這是落向黑洞的物質與強磁場相互作用的結果,但要搞清楚其背后的物理機制,關鍵是對黑洞視界附近的區域進行觀測。天文學家想知道,物質是如何在磁力線的驅動下被噴射出去的,而這目前只能靠猜測。未來隨著事件視界望遠鏡投入使用,他們將有機會第一次目睹這一過程的發生。

                      觀測物質在黑洞周圍的運動情況,還有助于解釋為什么銀河系中心的黑洞似乎一直處于“饑餓”狀態。它周圍的物質只有1%掉入其視界內部。當物質盤旋著掉入黑洞時,會被加熱到極高的溫度,發出X射線輻射。因此,如果人馬A*一直狼吞虎咽“進食”物質的話,銀河系中就會充斥著更多的高能輻射,而這顯然是不利于生命起源和演化的。

                      因此,事件視界望遠鏡的觀測不僅能對廣義相對論進行最嚴苛的檢驗,它甚至還能告訴我們為什么人類能夠出現在地球上。

                    本文來自《科學畫報》

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