人类认识黑洞的小小一步

字体大小:   文章来源:网摘 19-04-11

 

北京时间2019年4月10日晚21点,人类史上首张黑洞照片面世

  黑洞,这个神秘的天体终于和大家见面了。“视界望远镜”(Event Horizon Telescope,以下简称“EHT”)团队,宣布捕捉到了M87星系中心特大质量黑洞图像,终于让人们一睹黑洞的“芳容”。

  科学史上的 “突破”其实十分罕见,必须实事求是地说,首张黑洞照片只是我们认识黑洞的小小一步。

  现代天体物理中的黑洞,源自爱因斯坦广义相对论的推论,揭示了物理学中的极限。它是宇宙中最致密的天体,强大的引力让光都无法从黑洞视界中逃逸。黑洞也是最能激发人类好奇心和想象力的东西。比如人接近黑洞会怎么样?理论告诉我们,他们会被拉伸、压缩,经历“面条化”(Spaghtti fication)。

  然而在今天的照片之前,没有哪位天文学家真正见过黑洞,我们得到了一些间接的证据,“听到”了一些声音,这些声音是数十亿年前黑洞碰撞产生的时空的涟漪——引力波。为什么黑洞这么难被发现,它又如何被确定存在?来看看科学家都发现了什么。

  黑洞的艺术照

  我们平时见到的所谓黑洞的图片,都是经过艺术处理的图片。太空艺术或天文艺术,是科学可视化的展示,在科学教育和科学普及方面起到重要作用。当然,天文艺术也不仅如此,它们也是艺术的一种,有着自己更内涵的表达。

  下面这两张照片能够清晰的看到宇宙中存在黑洞,不管真实的黑洞是什么样,它们代表了我们心中黑洞的模样。

美丽的黑洞是科学与艺术结合的产物,从图中可以看出时空在黑洞附近弯曲了 来源:NASA

  黑洞如何形成? 

  认定黑洞的存在经过了科学史上漫长而曲折的过程,从18世纪提出的“暗星”,到广义相对论引力场方程的精确解,又经历对恒星演化过程的研究,到了20世纪90年代,人们才看到了黑洞存在的间接证据。

  目前公认的恒星级质量的黑洞是由大质量恒星自身坍缩而形成的。当恒星的核燃料耗尽,也就是恒星到达生命的尽头时,它们会膨胀,失去质量,然后冷却形成白矮星。但是这些炽热的天体中较大的,比如9到25倍太阳质量的恒星,它们会随着一场大爆炸——超新星爆发而坍缩成中子星。如果质量再大一些,25个以上的太阳质量,它们会进而演化成黑洞。当然,这些数字也不是绝对的,通常恒星质量级别的黑洞在3到100个太阳质量的区间。

  超新星爆发会将恒星的物质抛向太空,只留下核心。本来恒星可以通过自身的核聚变产生持续向外的推力,以平衡恒星自身质量向内的引力。但爆发后恒星的残骸不会再提供推力,但自身巨大的引力还在,就只能向内坍缩。当它持续坍缩,半径收缩到史瓦西半径时,黑洞就诞生了。现在科学家认为银河系中存在着成千上万个恒星质量级的黑洞,确认了20多个存在。

  史瓦西半径: 

  史瓦西半径是任何具有质量的物质都存在的一个临界半径特征值。1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,表明如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——事件视界面,一旦进入界面,即使光也无法逃脱。后人将此距离称为史瓦西半径,并把上述天体周围史瓦西半径处的想象中的球面叫作视界。 

  当然,如果以质量划分,黑洞还有其他几种类型,如超大质量黑洞(数百万倍太阳质量)和微型黑洞(理论上小于太阳质量)。科学家还不清楚超大质量黑洞是如何形成的,他们推测是黑洞吸收了其附近的恒星和气体云等逐渐长大而成。对于微小型黑洞,天文学家认为可能是在大爆炸后的早期混沌宇宙中形成的。

  为什么此前看不见黑洞? 

  看不见黑洞,并不完全因为它是“黑”的。在此之前,我们实际上能够观察到的黑洞,是视界以外的部分。黑洞的质量几乎都集中于最中心的“奇点”处,但仍有一个临界半径“视界面”,我们能看到视界面外的物质。但真正让我们看不到它的原因是,即使是超大质量黑洞,对我们来说也太小了!按《自然》杂志的说法,要一台比哈勃强大1000倍的望远镜才能观测它。

  比如这次EHT团队观察银河系中心的人马座A*(Sgr A*)的质量相当于400万个太阳,它的视界面直径约为2400万公里,相当于17个太阳大小,然而它距离我们有2.5万光年远,实际对我们来说非常微小。有很多比喻来形容这一距离,比如中科院国家天文台苟利军研究员在科普文章中形容,“就像我们站在地球上观看一枚放在月球表面的橙子”。

  另一方面,由于黑洞的强大引力,它往往被其他明亮的物质包围,这使得我们很难看到黑洞本身。这就是为什么在寻找黑洞时,天文学家通常不会尝试直接观测,他们要寻找黑洞存在的间接证据,比如黑洞对其周围天体的作用和影响。

  

黑洞周围的吸积盘和喷流,艺术想象图 来源:JPL

  美国亚利桑亚大学的天体物理学家Dimitrios Psaltis说,“我们通常测量恒星和气体运动的轨道,这些恒星和气体似乎围绕着天空中非常暗的一‘点’旋转,然后我们测量那个暗点的质量。如果我们没能发现其他天体能像它那样质量如此之大、颜色如此之深,我们就会认为这是黑洞存在的有力证据。”

  天文学家还能通过黑洞周围的吸积盘和发出的喷流而确定它的存在。当物质被黑洞吸收时,会沿着螺旋状的轨道靠近黑洞,从而形成一个圆盘状的吸积盘。在被吸入黑洞的同时,它们还会沿着旋转轴的方向喷出高能粒子,也就是喷流。这些高强度的辐射能被地球上的望远镜捕获到,从而认定黑洞的存在。

  黑洞的间接证据一:X射线 

  1999年,美国国家航空航天局(NASA)发射了三颗卫星,它们组成了钱德拉塞卡X射线天文台(CXO)。这是以著名的美籍印裔物理学家钱德拉塞卡命名的望远镜,专门观测不同天体发出的X射线。对于黑洞存在的最好证据就来自这里。

  在黑洞的引力下,吸积盘内物质落入黑洞的速度极快,物质之间的摩擦使它被加热至数十亿度的高温,从而发出辐射,这些辐射就包括有X射线。如果黑洞吸收的物质过多,喷流也会出现爆发。天文学家把这一个过程形象的称为“打嗝”——就像黑洞进食过程中打了一个嗝。

  钱德拉塞卡天文台记录了一次著名的打嗝。两个距离我们大约2600万光年的星系NGC 5195和涡状星系NGC 5194,爆发出了强烈的X射线。这是一对著名的交互作用星系,天体物理学家认为这次X射线爆发来自里面巨大的黑洞。

左侧为哈勃望远镜拍摄的光学成像,右侧为X射线成像 来源:Chandra.harvard.edu

  与它们相似的是Arp 147,也是两个交互作用的环状星系。这张图像上的紫红色斑点是强烈的X射线辐射区域,被认为是当两个星系(蓝色是螺旋星系,粉红色环是椭圆星系)相撞时形成的黑洞。

这张图也是钱德拉塞卡X射线望远镜和哈勃望远镜观测合成 来源:chandra.harvard.edu

此图是X射线拍下的图片

  这是来自英仙座星系团中心区域的X射线和声波(经过特殊处理)——黑洞存在的更间接证据:

图中的白点是超大质量黑洞 来源:chandra.harvard.edu

  最近的研究显示,在银河系中心的大黑洞周围,还拥有者甚至超过20000个较小的黑洞。一组研究人员发现了银河系中心三光年范围内存在十几个黑洞的证据。下面也是一个X射线图像,他们用蓝色的圆圈来表示黑洞。

  黑洞只有在“吞噬食物”时才会释放强烈的X射线,但“捕捉”它们非常不容易。黑洞一般来说很难侦测到,即使是像银河系中心的黑洞,它的吸积盘也非常暗淡,能记录一下它的爆发并不容易。除了X射线,还有一些其他方法能证明它的存在,比如射电波。

  黑洞的间接证据二:喷流,比星系本身还长

  这张来自哈勃望远镜和甚大射电望远镜(VLA)数据合成的图片,显示了来自20亿光年外,有银河系质量1000倍大小的武仙座A黑洞爆发出的喷流。这个看似普通的明亮星系却有一个25亿太阳质量的黑洞,科学家通过VLA看到了它爆发出的喷流。喷流实际是非常高能的等离子束,只能通过射电望远镜观察到它的信号。其爆发出的单边距离就达150万光年,相比之下星系本身在光学成像下就显得十分渺小。

来源:NASA

  下一张图片显示的也一个巨大的喷流,人们认为喷流正从半人马座A中心的黑洞喷发出来。半人马座A是一个距离我们1300万光年的椭圆星系。它的中心是一个质量为5500万个太阳质量的黑洞。科学家通过使用南半球的射电望远镜联合观测,揭示了其星系长度直径只有15光年。这些喷射流供给了大量的辐射气体,而这些气体远远超出了可见星系的范围。这些喷射流比星系本身还要长。

  半人马座A:

  半人马座A是天空中最大最亮的天体之一,其中心有一个超大质量黑洞。

半人马座A,也是首个被确认的天体射电源 来源:NASA

  黑洞的间接证据三:恒星围绕看不见的地方运动 

  科学家还可以观察到黑洞的极端重力对其周围物体的影响。天文学家记录了黑洞周围恒星20年来,围绕着我们银河系中心的人马座A*运动的恒星数据。那些恒星在围绕一处“空白”——黑洞运行。我们并不能看到中间的黑洞,但如果那里真的空空如也,恒星的运动轨道并不会如此。

  在围绕黑洞运动的恒星里有一个名为S2的恒星,它的环绕轨道周期只有16年,比木星环绕太阳轨道一周时间长30%,而它与黑洞中心的距离不足海王星到太阳的4倍,天文学家由此推算出它的质量大约是太阳质量的15倍。而人马座A*黑洞的质量是太阳的400万倍,巨大的引力让它以每小时1800万千米的速度环绕黑洞运动。2018年,天文学发现它以每小时2500万千米的速度运动,几乎达到了光速的3%。

  去年10月ESO的天文学家公布,他们发现了从黑洞吸积盘喷发出的巨大耀斑,得到了可信的证据。计算显示,这些耀斑的运动速度约为光速的30%,每45分钟绕黑洞一周。只有一个超大质量的黑洞才能解释这种剧烈而有力的运动。ESO报告称,这些观测结果与理论预测完全吻合,即在一个质量为400万倍太阳质量的黑洞附近有一些物质在轨道上运动。

  终“见”黑洞 

  虽然黑洞距离我们过于遥远,天文学家仍想出了办法观测到它。传统的光学望远镜需要使用越来越大的光学镜面来观察宇宙中物体,而对于射电波来说,还有一种虚拟的方法能把口径变大,这就是此次拍下黑洞照片的视界望远镜(EHT)。他们利用分布在全球,总共8座毫米波射电望远镜组成了一个观测阵列,也就是视界望远镜,阵列的基线长度几乎与地球相同,意味着他们“创造”出了一个地球大小的望远镜来观察黑洞。它的能力有多强?据麻省理工新闻报道,可以数清万米开外棒球上的缝线。

8处望远镜组成虚拟望远镜阵列 来源:WIKI

  2017年4月,EHT团队连接了世界各地的射电望远镜,让他们都指向人马座A*方向观测几天。实际上,除了半人马座A,他们的目标还有另一个目标——M87星系中心黑洞。这次公布的就是M87黑洞照片,要保证这8处望远镜能同时看到两个黑洞,且达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率,每年只有10天左右的最佳观测时间。

  要看到黑洞的照片,另一大难度就是“洗照片”。虽然这个过程在如今社会已经少见,但科学家得到的是黑洞发出的射电波数据,要把它们还原成一个可视化的图片非常困难。因为视界望远镜的阵列一晚上就要产生20000TB的数据,和欧洲大型强子对撞机一年产生的数据相当。科学家不可能对这些数据进行实时分析,他们选择传输到两个数据中心再集中分析。观测10天,分析两年,最终得到了这张黑洞照片。

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