明天!黑洞要顯真身了,是誰為它拍了第一張照片?

2021-02-15 科學大院

2017年的4月5日到14日之間,來自全球30多個研究所的科學家們開展了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃,利用分布於全球不同地區的8個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網絡,人類第一次看到黑洞的視界面。這個虛擬的望遠鏡網絡被稱為「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT),其有效口徑尺寸將達到地球直徑大小。人類在2015年第一次聽到了兩個黑洞相互繞轉合併所產生的引力波之聲,從那以後,科學家們又在為親眼目睹黑洞真容而努力了。 

無論我們最終得到的黑洞圖像是什麼樣子——是像電影畫面一般壯觀恢弘,或者只有幾個模糊的像素點——事件視界望遠鏡都意義非凡,這是我們在黑洞觀測史上邁出的重要一步。觀測結果不僅僅是一張照片那麼簡單,它一方面呼應著愛因斯坦的廣義相對論,一方面也將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產生並影響星系演化的。我們將成為有史以來第一批「看見」黑洞的人類,真是好運氣。   

無圖無真相,科學家怎麼知道黑洞在那裡? 

儘管「黑洞」(black hole)一詞在1968年才由美國天體物理學家約翰·惠勒提出來,但早在1783年,英國地理學家約翰·米歇爾(John Michell)便已經意識到:一個緻密天體的密度可以大到連光都無法逃逸。這也是普通人在今天對於黑洞的最基本認識:吸入所有一切,連光都逃不出來。   

既然想一睹黑洞「芳容」,我們對這個遙遠天體的認識就得再多些。黑洞的幾乎所有質量都集中在最中心的「奇點」處,「奇點」在其周圍形成一個強大的引力場,在一定範圍之內,連光線都無法逃脫。光線不能逃脫的臨界半徑被稱為「視界面」——顧名思義就是視線所能到達的界面。你大概感到好奇:登山家們勇攀高峰的原因是「山就在那裡」,可是,既然天文學家們根本看不到黑洞,他們是怎麼確定「黑洞就在那裡」的呢? 

黑洞自身不發光,難以直接探測,大大小小的望遠鏡對於直接觀測遙遠黑洞力不能逮。科學家們便只能夠「曲線救國」,採用一些間接方式來探測黑洞——比如觀察吸積盤和噴流。 

在某些時候,恆星量級(從3個太陽質量到100個太陽質量大小)的黑洞會存在於一個恆星周圍,將恆星的氣體撕扯到它自己身邊,產生一個圍繞黑洞旋轉的氣體盤,即吸積盤。 

當吸積氣體過多,一部分氣體在掉入黑洞視界面之前,在磁場的作用下被沿轉動方向拋射出去,形成噴流。 

吸積盤和噴流兩種現象(見圖二)都因氣體摩擦而產生了明亮的光與大量輻射,所以很容易被科學家探測到,黑洞的藏身之處也就暴露了。 

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