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专题丨历史上黑洞的第一张照片

  • 2019年04月18日 13:06
  • 来源:科学整合世界
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这是历史上黑洞的第一张照片,它不仅让我们第一次看到了黑洞,而且还让人类在极端极端的重力环境中验证了相对论的一般理论。 第一张黑洞照片 几十年来,天文学家公...

这是历史上黑洞的第一张照片,它不仅让我们第一次看到了黑洞,而且还让人类在极端极端的重力环境中验证了相对论的一般理论。

专题丨历史上黑洞的第一张照片第一张黑洞照片

几十年来,天文学家公布了大量的观测结果和黑洞的各种照片,但那些照片都是黑洞周围的气体或其他物质。黑洞本身只是一个难以分辨的地方。也有从某个天体喷出巨大能量的照片。天文学家推测这个天体应该是一个黑洞。事实上,根据这些证据,我们甚至无法确定黑洞是否真的存在。

天文学家在天空中发现了质量和密度足够大的物体,如果爱因斯坦的广义相对论是正确的,那么它们一定是黑洞。然而,到目前为止,还无法确定这些天体是否有一个物质不能进入或退出的地平线-这是界定黑洞的最重要特征。提出这个问题不仅是为了满足纯粹的好奇心,而且是因为这样的地平线涉及到理论物理学中最深的奥秘之一的核心。展示黑洞事件视界的黑色轮廓的照片可以帮助我们理解黑洞周围发生的不寻常的天体物理过程。

为什么直接看黑洞这么困难?

很长一段时间,很难直接观察到黑洞。

一个值得注意的问题是黑洞太小,不适合地球上的观察者。天文学家现在相信大多数星系的中心都有超大质量的黑洞。这些黑洞的质量可以达到太阳质量的数百万或数十亿倍。一些黑洞的直径甚至比我们的太阳系还要大,甚至它们在天空中占据非常小的角尺度,因为它们离地球太远了。最近的超大质量黑洞是人马座A*,位于银河系的中心,质量相当于400万个太阳。它在天空中的视角只有50微秒,与月球上的DVD差不多。为了区分具有如此小角度尺度的物体,我们需要一个比哈勃空间望远镜高2000倍的望远镜。

其次,只有一小部分黑洞周围有大量气体进行吸积,因此我们可以看到它;银河系中的绝大多数黑洞还没有被发现。

不仅如此,我们对黑洞的看法会因为两个不同的原因而变得模糊。首先,目标位于星系的中心,密集的气体和尘埃云阻挡了大部分电磁波段。其次,我们想要探测的发光物体是一个燃烧的漩涡,由高度压缩的物质组成,旋转并落到地平线上,这本身对大多数波长的电磁辐射都是不透明的。因此,只有在非常窄的波长范围内的辐射才能从黑洞边缘逃脱并被地球上的观察者看到。

然而,在拍摄可疑黑洞的直接图像之前,天文学家已经开发出技术来揭示物质的性质和行为,这些物质紧密地围绕着疑似黑洞旋转。

关于黑洞的论辩

例如,通过观察附近恒星的运行方式,天文学家可以权衡超大质量黑洞的重量,就像使用行星轨道来衡量太阳一样。在遥远的星系中,超大质量黑洞附近的单个恒星无法分辨,但这些恒星的光谱可以揭示它们的速度分布,从而导致黑洞的质量。

天文学家也在寻找广义相对论在黑洞附近辐射的时变模式中留下的痕迹。例如,一些恒星质量黑洞发出的X射线辐射在亮度上呈准周期性变化,这与理论上预测的靠近黑洞吸积盘最里面部分的轨道周期非常接近。

在此之前,探测超大质量黑洞最有效的方法是观察铁原子在吸积盘表面发出的荧光。吸积盘承载着铁原子的快速旋转。加上黑洞本身强大的引力,铁原子荧光的特征波长会被抵消并扩散到一定的波段范围。在快速旋转的黑洞附近,吸积盘本身围绕著黑洞旋转得更快,因此这种辐射会显示出不对称,并露出天空。

日本的“宇宙学和天体物理学高技术卫星”(ASCA)和“朱雀鸟”(Suzaku)X射线天文卫星观测到了这种辐射,天文学家将这些观测解释为高速旋转黑洞的直接证据。这些吸积盘中的轨道速度高达光速的1/3。

专题丨历史上黑洞的第一张照片落在黑洞上的物质所产生的现象

Event Vision望远镜 - 一个直视黑洞的窗口

为了直接观察黑洞,我们必须寻找更大的射电望远镜。事件视界望远镜(eht)项目的目标是通过国际合作克服这些困难,并详细观察黑洞。为了获得通过观察地球表面所能获得的最高角度分辨率,EHT使用了一种称为甚长基线干涉测量(VLBI)的技术。天文学家使用位于地球不同位置的射电望远镜同时观察同一物体,将收集到的数据分别记录在硬盘上,然后使用超级计算机整合数据。对图像。通过这项技术,分布在地球不同大陆的许多望远镜形成了一个虚拟的、地球大小的望远镜。望远镜的分辨率是由观测波长与望远镜大小的比值决定的,因此VLBI通常可以在无线电波段对天空进行高分辨率成像观测,其分辨率远优于所有光学望远镜。

这次对银河系中心黑洞的观测是由八台射电望远镜或阵列组成的。它们分别是:南极望远镜(spt),智利的阿塔卡马大毫米波阵列(alma),智利的阿塔卡马探路器实验望远镜(ports),墨西哥的大毫米波望远镜(lmt),亚利桑那州,美国的亚毫米波望远镜(smt),美国夏威夷的亚毫米望远镜(sma),夏威夷的麦克斯韦望远镜(jcmt)和西班牙射电天文台的30米毫米波望远镜(iram)。

专题丨历史上黑洞的第一张照片

八台射电望远镜或干涉阵列参与了观测。(IRAM布雷高原干涉仪不参与这次观测)每台望远镜都位于高空,以确保地球大气对信号的吸收最小化。利用世界各地的设备和以毫米为单位的观测,天线阵列将具有数千万秒的有效角分辨率-足以在月球上看到一张DVD。

银河系中的巨像A*是EHT的第一个观测目标。这个黑洞“只有”24000光年远,是已知的天空中最大的具有圆形表面的黑洞。黑洞的质量是太阳的10倍,必须是离太阳最近的恒星的100倍,才能看起来和人马座A*一样大。尽管宇宙中有比人马座A*大的超大质量黑洞,但它们离我们有数百万光年之遥。

在由VLBI(接近1毫米)观察到的波长处,银河系几乎是“透明的”,因此当观察射手座A *时,EHT在视线方向上受到的干扰最小。相同波长的电磁波也可穿透落入黑洞的材料,使我们能够更深入地穿透射手座A *地平线周围的区域。而且,巧合的是,毫米波段的全球大小望远镜的分辨率足以解决我们最近的超大质量黑洞的视界。

VLBI捕获的第二个目标是一个黑洞,据信位于巨型椭圆星系M87的中心。黑洞距离地球5500万光年。2009年6月,德克萨斯大学奥斯汀分校的卡尔·格伯哈特和德国加尔辛外域物理研究所的詹斯·托马斯共同研究确定黑洞的质量相当于64亿个太阳——足以将其轮廓的直径“膨胀”为人马座A*轮廓的3个。

黑洞及周围结构图

黑洞剪影

ht宣布的发现来自于更加混乱的87(m87)黑洞。黑洞会在周围吸积气体的辐射形成的“背景壁”上投射出一个轮廓。这样的“阴影”产生是因为黑洞消耗了所有从它后面发射出来并发射给观测者的光。同时,其他从黑洞后面发射出来的光只要穿过地平线就会围绕著“影子”发光,形成一个明亮的区域。强大的引力透镜效应使光线弯曲,甚至在黑洞正后方的物质所发出的光可以弯曲在黑暗区域周围,贡献出一部分的“光”。

由此产生的黑色轮廓就是所谓的“黑洞大头照片”-在这张照片中,黑洞是完全黑暗的,可以说是名副其实的。阴影将不会是一个对称的圆盘,主要是因为周围的气体旋转的速度如此之高,以至于它几乎接近光速。高速运动的物质发出的辐射会产生多普勒频移,辐射方向将会聚在物质运动的方向上,形成一个狭窄的光锥。因此,在旋转气体向我们移动的一侧,辐射将会大大增强,而在背向运动的另一侧,辐射将会大大降低。这样,在盘状的暗影周围出现的不是一个完整的明亮的环,而是一个新月形的明亮的弧。只有当我们的视线与吸积悬停轴重合时,这种不对称才会消失。

黑洞的旋转本身也会有类似的效果,但旋转的方向可能与吸积盘的方向不同。因此,这样一张照片将使天文学家能够确定黑洞的旋转方向和吸积盘相对于黑洞旋转的倾斜度。这两个参数对天体物理学同样重要。这些数据为吸积理论提供了宝贵的观测资料,完全解决了吸积流内缘的气体密度和几何结构问题。

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验证广义相对论

这一发现,让我们在像黑洞边缘这样强烈的环境中验证广义相对论。

1973年,霍金等人提出了黑洞无毛定理。根据这个定理,任何包裹在地平线上的黑洞都可以完全用三个物理量来描述:质量、自旋和电荷。换句话说,只要任意两个黑洞的质量、自旋和电荷相等,两个黑洞应该完全相同,因为两个电子是不可区分的。根据该定理的描述,黑洞没有“毛”,也没有几何不规则或其他可分辨的性质。

如果无毛定理是错误的,广义相对论至少需要修正。这个定理的数学证明没有回旋余地。

当我们首次考虑用VLBI对黑洞进行成像时,我们认为黑洞“阴影”的形状和大小可以用来了解黑洞的自转速度和自转轴的方向。然而,数值模拟却给了我们一个惊喜:在模拟中,无论我们如何改变黑洞的旋转速度和虚拟观察者的位置,黑洞的“阴影”总是呈现近似圆形的。它的大小大约是地平线半径的五倍。因为一个幸运的巧合-或者一个尚未被发现的深刻的物理定律-无论我们如何改变模型中的参数,黑洞的“阴影”的大小和形状都是一样的。

这种巧合对我们检验爱因斯坦的理论是非常有益的,因为它只有在相对论成立的情况下才会发生(见下图)。对射手座A*的观测表明,它的“影子”的大小或形状与我们的预测是一致的,这进一步证实了无毛定理-然后是广义相对论。

这一发现无疑有助于我们证实爱因斯坦的广义相对论 - 特别是它关于黑洞的预言 - 将在没有任何损失的情况下建立一个世纪。

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