虽然我们不能直接“看见”黑洞,但是可以利用黑洞对周围时空的影响、吸积盘、喷流等现象间接发现它的存在。今天就带大家了解一下人类首次看见的黑洞身份照上新 科学家如何让黑洞现形

人类首次看见的黑洞身份照上新

 黑洞本身并不发光,我们无法“看见”黑洞本身,但是黑洞强大的引力会影响周围天体的运动,目前探测到的恒星级质量黑洞都是拥有伴星的黑洞。

 科学家们在长期观测银河系恒星运动时,发现银河系中央区域的恒星轨道都绕开了一个区域,那里有一个神秘的且看不见的天体牵引着恒星围绕它运动。他们猜测,这个神秘的天体就是黑洞。2020年诺贝尔物理学奖的一半就授予了发现银河系中心超大质量致密天体的两位科学家根策尔和盖兹。计算推测,银河系的中心的这个黑洞的质量相当于400万个太阳质量。2022年,事件视界望远镜合作组织还给银河系中心黑洞人马座A*(Sgr A*)拍了照片。

 科学家们在几十个河外星系的中心都发现了超大质量黑洞,在超大质量黑洞周围,恒星们绕着它运动,通过恒星们运行的轨迹可以推知黑洞的大小。超大质量黑洞动辄有百万个太阳质量那么大,它不可能来自恒星的死亡,它的形成至今还是一个谜。

 黑洞虽然神秘,但还是会露出一些“蛛丝马迹”。它牵引伴星围绕它运动,我们观测伴星运动可以找到它;它吸食伴星物质放出X射线等电磁辐射,这些辐射会被各种波段的望远镜等探测器探测到;两个黑洞合并前激起的引力波会被引力波探测器捕捉到;受扭曲时空影响的光的路径,同样会暴露它的位置,比如引力透镜效应。

科学家如何让黑洞现形

 我们已经介绍了4个间接寻找黑洞的方法,有没有可能直接给黑洞拍一张照片呢?科学家们已经想到了,2019年事件视界望远镜合作组织发布了人类历史上第一张真实的黑洞图像,这一张图像是由8个射电望远镜阵列联合拍摄的。

 事件视界望远镜合作组织的这8个射电望远镜阵列分布于全球6个地方,分别是位于南极的南极望远镜(SPT);位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA)和阿塔卡马探路者实验望远镜(APEX);位于墨西哥的大型毫米波望远镜(LMT);位于美国亚利桑那州的亚毫米波望远镜(SMT);位于美国夏威夷州的麦克斯韦望远镜(JCMT)和亚毫米波望远镜(SMA);位于西班牙的30米毫米波望远镜(PV)。

 这8个射电望远镜阵列模拟出一台口径跟地球直径一样大的望远镜。望远镜的口径越大,分辨率就越高,据说事件视界望远镜的分辨率相当于可以在我国北端的漠河清晰识别出南沙群岛上的一张报纸的标题字号。

 被拍摄对象是M87星系(河外星系)中心的超大质量黑洞,距我们大约5400万光年。为什么不拍摄离我们更近的银河系中心的黑洞呢?那也是超大质量黑洞呀。原因有两点,一是,M87星系中心的黑洞活跃度远远高于银河系中心的黑洞,黑洞越活跃,它的吸积盘就越明亮,就更容易被观测到。二是,M87星系中心的黑洞质量更大,是银河系中心黑洞质量的1500多倍,虽然它离我们更远,但在地球上看来,这两个黑洞看起来都差不多大。综合考虑下来,就选择了更加容易观测的M87星系中心超大质量黑洞作为拍摄对象。

 M87黑洞的拍摄展现了全球合作研究的新范式。2017年,8台射电望远镜同时连线观测,拍摄搜集的数据量相当大,共计5000万亿字节,存储这些数据的硬盘足足有半吨重。如此庞大的数据,依靠网络传输会是一个非常漫长的过程,实际上是通过空运将存储数据的硬盘送到研究所。处理这些数据最后将其拼接成照片花费了两年的时间。终于,2019年4月10日全球多地同时发布了这张来自不易的黑洞写真照片(如下图左上角所示),照片一发布,万众瞩目,有人说它像蜂窝煤球,有人说它像猫眼,有人说它像一个“甜甜圈”。可以说,第一张黑洞照片是天文学、物理学、计算机科学、算法科学等多学科领域专家努力协作的结果。

 2021年3月,事件视界望远镜合作组织又发布了一张照片——M87超大质量黑洞的偏振光照片(如图左下角所示),比起两年前的照片,这张照片多了一些螺旋纹路,形似“曲奇”。新的“曲奇”与2019年的“甜甜圈”来自同一次成像观测,只是处理偏振图像花费的时间更长。黑洞的偏振图像包含了更多的信息,有助于科学家们更深入地理解黑洞周围的物理环境。

 人类首次看见的黑洞身份照上新 科学家如何让黑洞现形。2022年5月事件视界望远镜合作组织发布了银河系中心的黑洞Sgr A*的首张照片。接下来,事件视界望远镜的镜头又将对准哪里呢?