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【海星科普】看前面黑洞洞,定是那贼……首张黑洞照片发布,黑洞不再“黑洞洞”

标签: 海星科普

社区小编克鲁德 社区管理员 4月11日 12:28

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      北京时间4月10日21时,作为一项全球参与的共同成果——人类首张黑洞照片公布,发布会在美国华盛顿、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同时召开,以英语、汉语、西班牙语、丹麦语和日语同步发布。

 20190411 黑洞 1.jpg

点击图片查看新华网黑洞发布会视频

 

黑洞早已被预言,各种观测事实也不断证明它的存在。但此次是人类首次对黑洞进行直接拍摄。

而黑洞的照片是经历了怎样的波折,最终拍摄出来的?


本文有2400字!比较长!可以点击这里快速了解黑洞的形成与观测~


视频来源:@中国科普博览


20190411 黑洞 16.png

20世纪初,“经典物理学大厦落成之际”,科学家在实验中却发现了许多经典物理学无法解释的事实。电子、X射线和放射性等科学现象的发现引起了物理学的一场革命。

1900年12月,普朗克在德国物理学会上报告了他对于黑体辐射的研究结果以及普朗克辐射定律的发现,宣告了量子论的诞生和新物理学革命开始的伟大时刻。

20190411 黑洞 11.jpg

1915年,爱因斯坦提出了“广义相对论”——“时空决定物质如何运动,物质决定时空如何弯曲。”这一理论预言:大质量天体会让周围的时空发生显著弯曲,背景星光行经此处,会随着时空的弯曲而被偏折。理论问世之初,其给出的许多预言都显得过分光怪陆离,让人不敢相信。


1916年,广义相对论提出仅仅一年之后。一个名叫卡尔·史瓦西的德国天文学家,给出了广义相对论中描述时空性质的“爱因斯坦场方程”的第一个精确解。他指出,对于任何物体,都有一个与其质量相对应的半径,如果将其全部质量压缩到这个半径内,这些物质就将无止尽的向中心掉落,形成一个时空极端弯曲的奇点。这个半径,后来被称作“史瓦西半径”。任何物质,包括光,都无法从史瓦西半径内逃出。这一理论在后来也成为观测黑洞外观的重要参考之一。

 20190411 黑洞 12.jpg


1919年,英国天文学家亚瑟·爱丁顿和同事利用日全食的宝贵时机,测量太阳附近恒星的位置,他们得到的观测结果大致符合广义相对论的预言。同时,这也是第一个专门为验证广相预言而实施的重要观测。此后,广义相对论成为现代物理学中研究宇宙形成以及各种天体相关问题的重要理论基础之一

 

1939年,美国理论物理学家奥本海默等人又指出,当中子星的质量超过某一极限(根据LIGO引力波观测的结果,这个极限目前被认为是2.17倍太阳质量),就连中子简并压也无法维持中子星的存在,超重的中子星也必然继续坍缩下去——而且似乎没有什么力量可以再阻挡这种坍缩。


但“奇点”这个让物理学失效的地方,却让一些理论物理学家寝食难安。美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒一度质疑,形成奇点之后,原先的物质为何可以变成一个无物质的几何点。

20190411 黑洞 13.jpg


随着理论研究的深入,物理学界逐渐廓清疑虑、建立了对这种极端天体各项性质的共识,它也于1967年被惠勒正式命名为“黑洞”——中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小,热量无限大的奇点和周围一部分空空如也的天区,这个天区范围之内不可见。可以简单理解为“一个由恒星死亡塌陷后形成的,质量无限大、引力无限大、光也无法逃脱其引力的天体”。


以上奠定了黑洞研究的理论基础,在此后的半个世纪,人们一直在想办法证实黑洞的真实存在。包括去年去世的斯蒂芬·霍金,也在1974年提出的霍金辐射——之所以称作“黑洞”,是因为连光都无法从这类天体中从逃逸。但霍金提出,黑洞也不是完全密不透风,一些粒子会巧妙地逃出来。


但受限于科技手段的发展,科学家们一直无法观测到黑洞的真正外观。


20190411 黑洞 15.png

很多人都看过美国电影《星际穿越》,对于电影中给出的黑洞“大光盘”一般的外观,想必有很深刻的印象。

20190411 黑洞 5.jpg

《星际穿越》剧照

 

但其实,这个答案只对了一半。

由于以接近光速运动的物质将有强烈的多普勒集束效应——黑洞的“大光盘”一边朝向我们运动,另一边背离我们运动,因此我们应该看到,其一侧很亮、另一侧很暗

也就是这样:

20190411 黑洞 4.jpg

 

这是1979年,法国天文学家让-皮埃尔·卢米涅利用一台运算能力只有10年前主流手机(以iPhone4为例)万分之一的晶体管计算机计算得到光强等高线图之后,按照等高线图的指示,亲自动手、用一个个墨点绘制在一张照相纸上的图像。

这也是人类第一张利用计算机数值模拟得到的黑洞模拟图像——距今刚好40周年。


《星际穿越》的科学顾问、2017年诺贝尔奖得主基普·索恩,曾经给电影导演建议过采用考虑了集束效应的可视化方案——导演表示,如果不对称的话,观众会很困惑,于是依然采用了错误的画法。尽管《星际穿越》已经拥有通俗作品中史上最佳的黑洞影像,但这个错误仍然让物理学界的老爷子们感到遗憾。

 

20190411 黑洞 14.png

黑洞按质量可以分为两类:恒星级黑洞星系中心的超大质量黑洞。恒星级黑洞实在是太小:距离我们最近的一个恒星质量黑洞——X射线双星A0620-00,距离3500光年,大小40千米。这样其视直径只有万分之一个微角秒(10的-10次方角秒)数量级,远远超出了任何观测手段的能力。而超大质量黑洞的质量往往可以达到数百万到数十亿倍太阳质量。由于黑洞的史瓦西半径大小与质量成正比,因此要直视超大质量黑洞,比恒星级黑洞要容易很多。

20190411 黑洞 3.jpg

目前最适合观测的两个超大质量黑洞是银河系中心的人马A*(Sgr A*)室女座星系团中心星系M87核心的黑洞M87*。前者距离大约26000光年,包含430万太阳质量;后者距离5500万光年,大约60~70亿太阳质量。按照史瓦西半径公式可以计算出,前者直径约为2500万千米,后者约为360亿千米。


黑洞的大小虽然远超太阳,但受到无法估量的距离限制,要分辨出其轮廓细节,相当于要地球上看清月球上的一个橘子。 

 

要看清距离如此远又如此小的一个目标,那就需要一台很大很大的超级望远镜。据德国天文学家Heino Falcke的研究发现,要直接观测到黑洞,需要一台口径将达到5000千米以上——接近地球半径的望远镜。


经过十几年的协调,8台全球顶尖的毫米波望远镜加入了解析黑洞轮廓的行列。

20190411 黑洞 2.jpg

这就是今天的主角,视界面望远镜

 

最终,在2017年4月的4个观测夜,“视界面”望远镜对银河系和M87中央黑洞进行了观测。经过两年的数据处理,我们终于等到了文首的那张照片:

20190411 黑洞 1.jpg



【有奖话题】

如果你可以把一件东西扔进黑洞,你会选择扔什么?为什么?

【跟帖格式】

【黑洞来了】你要扔进黑洞的东西+原因,描述不少于15字,配图更佳

【活动奖励】

优质跟帖奖励20-100海贝,多次跟帖只奖励一次

【活动时间】

2019年4月11日-4月15日

2 个投票 | 投票后可见结果 | 已结束

【问题 1 / 2】人类首张黑洞照片和你的想象相符合吗?(单选):

【问题 2 / 2】你知道社区的“海星小视频”(https://bbs.haier.com/forum/food/2453127.shtml)栏目吗?(单选):

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