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人类史上首张黑洞照片今晚公布!这位华科大教授作为参与者提前解读!

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湖北日报 发表于 2019-4-10 16:22:16 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
4月10日21点,视界望远镜(Event Horizon Telescope;EHT)项目和中国科学院在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿全球六大城市同步举行新闻发布会,公布人类获得的首张黑洞照片。

这张照片摄自梅西耶87(M87)星系中心的黑洞,重约60亿个太阳质量,距离地球5600万光年,由全世界横跨几大洲8台毫米波望远镜(或阵列)组成ETH进行联网观测而得。

项目团队包括来自中科院上海天文台、云南天文台、中科院高能所、北京大学、华中科技大学、南京大学等单位的10余名成员。

华中科技大学吴庆文教授是中国科学团队成员之一,参与了历时两年的部分数据和理论分析工作。10日,湖北日报记者采访了吴庆文教授,请他详细解读这次黑洞“真身”即将发布的幕后故事。

黑洞是什么?

黑洞就是一个时空漩涡,是弯曲的空间和弯曲的时间构成的,别无其它。

黑洞存在一个视界,视界内部时空高度扭曲,连光都无法逃脱,一切物质掉入视界范围,它就会消失的无影无踪,奔向奇点(奇点是指“时空中一个普通物理规则不适用的点”,1970年,霍金等人曾提出"奇点定理"),因此像一个无底洞,即我们说的“黑洞”。花花世界、爱恨情仇、金银财宝进入黑洞就只剩下质量、自旋和电荷三种信息(所谓‘三毛’定理)。

1964年,美国科学家利用探空火箭在天鹅座区域偶然发现了一个非常明亮的X射线天体,科学家将其命名为“天鹅座X-1”。它成为了人类发现的第一个黑洞候选体。

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银河系中心黑洞质量测量

此后,人们陆续发现了大量黑洞,这其中包括质量与天鹅座X-1差不多、相当于几十倍太阳质量的恒星级黑洞,也包括几十万、上百万倍太阳质量的超大质量黑洞。

此前有科学家估算过,质量高于10个太阳质量的黑洞数目应该多于1亿个。

黑洞存在的间接证据已经有很多,但人类更渴望直接看到黑洞的面目。虽然黑洞本身并不发光,但它具有强大的引力,可以将周围的物质吸引过来,形成绕其转动的吸积盘。吸积盘可以将吸积物质的引力能变成辐射,从而可以被我们看到。

超级望远镜4次抓拍黑洞

还记得号称烧脑大片《星际穿越》中那个大黑洞图像吗?它可是利用几千台计算机首次严格计算了黑洞周围薄吸积盘在弯曲时空中的影像。

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电影《星际穿越》中的黑洞影像

我们银河系中心就存在一个巨型黑洞,其质量约为400万个太阳质量,但活动性很弱,像一个沉睡者,偶尔翻翻身、打几声呼噜。由于这个黑洞周围等离子体非常稀薄(光深很小),因此大部分引力能释放的能量会被离子带入黑洞,辐射很少(离子和电子碰撞不频繁、能量交换也比较弱),吸积物质温度很高,形成一个几何厚、辐射低效的吸积盘。

一个荷兰天文学家范科(Falcke)在2000年,基于上述光学薄的等离子体盘,计算了银河系中心超大质量黑洞图像,并预言几年后的射电望远镜干涉阵将可能直接观测到这个大黑洞。

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全球超级望远镜

为此,全世界横跨几大洲近10台毫米波望远镜(或阵列)在过去十几年间逐渐建成并投入观测,这些单台望远镜分辨率并不高,但如果把这些望远镜联网,则可以组成一个超级虚拟望远镜(甚长基线干涉技术)。这些望远镜同时对同一个天体进行联合观测,然后对数据进行相关处理,得到的结果就相当于一台超级望远镜。

这架超级望远镜分辨率非常惊人几乎可以分辨38万公里外月球上的一个乒乓球大小。目前,两个最佳观测天体就是银河系中心黑洞,其质量约为400万个太阳质量,距离地球2.7万光年,另外一个就是梅西耶M87星系中心黑洞,其质量约为60亿个太阳质量,但距离地球5600万光年。由于M87中心黑洞比银心黑洞大了近1500倍,但距离远了2000倍,这样导致二者的黑洞在天空的投影面积几乎相同(有点像太阳和月亮),黑洞视界角大小分别为7和10微角秒,几乎和上述毫米波望远镜的角分辨率相当,因此人们把这些亚毫米波望远镜阵列叫做“视界望远镜”(Event Horizon Telescope)。

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银河系中心黑洞,恒星运动图

2017年4月5日到11日之间,由位于南极、智利、墨西哥、美国夏威夷、美国亚利桑那州、西班牙的近10台毫米波望远镜(或阵列)组成的“超级望远镜”同时对M87中心黑洞进行了4次非常成功的联合观测。

照片分析为何要两年?

拍照结束后,经过近两年的数据处理,今晚将呈现给人类首张黑洞照片。

为什么数据处理历时两年之久?吴庆文教授解释,这些望远镜,必须把数据寄到一个地方进行综合处理,然后才能分析。在观测成功以后,由于数据处理相对较为复杂,而且涉及站点很多,每晚的数据量达2PB(1PB=1000TB=1000000GB),这和欧洲大型对撞机一年产生的数据差不多。为了保证准确性,观测数据用三种完全独立的流程以及多个独立小组进行处理,以保证结果的准确性。而且处理过程非常复杂,要不同独立小组结果几乎相同才会向外发布,因此非常耗时。他感叹,“真是拍照不易,洗照片更难。”

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模拟图

吴庆文说,这是一个模拟图,但很像真的。其中中心阴影就是黑洞的暗影,那个亮环就是黑洞周围等离子体发的光。可以说“人类首张黑洞照片”是在2016年发现引力波之后人们寻找到了爱因斯坦广义相对论最后一块缺失的拼图。

巨型黑洞很可能高速自转

吴庆文教授介绍,这次观测的超级黑洞,课题组在前期一直在进行研究。黑洞就是一台超级发动机,不仅吞噬物质,还向宇宙空间以接近光速抛射物质。

此次黑洞项目研究,主要分为观测、数据处理、理论分析等工作,全球有200多人参与,中国团队十余名成员参与了上述不同工作,他本人和和研究生冯建超博士主要进行理论分析,在过去几年里进行了系列研究,对黑洞吞噬物质过程、黑洞自旋等重要信息做了较好限定,提出这次视界望远镜观测的黑洞图像应该是来自黑洞吞噬的物质,而非相对论性喷流。此外,还发现这个巨型黑洞很有可能是高速自转的。“这次拍摄的黑洞照片,较好支持了我们的研究结果。”

展望未来15-20年,黑洞相关一定会取得更大的突破。

2017年6月15日,我国第一颗X射线天文卫星“慧眼”发生升空,在浩瀚宇宙架起了一座属于中国人自己的空间望远镜。2018年3月,中科院启动了增强型X射线时变与偏振天文台(eXTP)相关研究,这架旗舰型X射线天文台将在2025年左右发射,将是“慧眼”卫星的继任者。

这两架X射线天文望远镜核心科学目标都是黑洞、中子星等极端天体,一流的设备必将催生一系列一流的、超乎想象的科学发现。








 

精彩评论5

正序浏览
井底之蛙 发表于 2019-4-10 16:30:34 | 显示全部楼层
 
原来天上这么热闹,天文是一门如此有趣的科学!
 
一条寂寞的鱼 发表于 2019-4-10 16:30:51 | 显示全部楼层
 
期待今晚的照片公布~
 
白衣未央 发表于 2019-4-10 16:31:09 | 显示全部楼层
 
期待人类史上首张黑洞照片今晚公布!
 
钟期既遇 发表于 2019-4-10 16:31:21 | 显示全部楼层
 
黑洞就是地狱,不小心掉进去将万劫不复。
 
杜浦 发表于 2019-4-10 16:50:50 | 显示全部楼层
 
流浪宇宙
 
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