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天文学家或将得到首张黑洞照片!

天文航天|2017-4-15 11:47

来源:国家地理中文网|作者:Ron Cowen|1501人参与|0评论

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  银河中心的那个巨兽其实是个“坑”。

  科学家们结束了五个晚上的观测后,或将终于得到首张黑洞照片。

  更确切地说,这张万众期待的照片其实拍摄的是黑洞周围的神秘区域,即视界线。在此边界内,包括光在内的任何东西都无法逃出黑洞的魔掌。

  最后一次观测在晚上11:22结束。项目成员Vincent Fish终于可以安心地在办公室里坐下了,他的办公室就位于麻省理工学院的海斯塔克天文台内。在过去一个星期的时间里,他全天候待命,只能断断续续地小睡,把手机一直放在身旁,并调大来电铃声。

  当最后一波数据汇集到天文台后,他看到射电天文学家和工程师们在聊天室里竞相庆贺。有人说要开一瓶珍藏了50年的威士忌,还有另一个说他正在感受《波希米亚狂想曲》的狂欢节奏。

  “我特别高兴,也感到如释重负,希望能好好睡上一觉。”Fish说道。

  从压力中解脱出来后,期待也如约而至:这么多的数据需要花时间来处理,团队必须等待几个月后,之后才能知道自己付出的巨大努力能否换来真的成功。

  荷兰拉德堡德大学射电天文学家HeinoFalcke说:“即便第一批图像仍然很糟糕而且色彩也不对,但我们已经首次在黑洞的极端环境下验证了对爱因斯坦引力理论的某些基本预测。”

  爱因斯坦的广义相对论发表于1915年。该理论认为,物质会使时空的几何结构产生扭曲或弯曲,我们会将其视作引力。超重黑洞的存在就是爱因斯坦理论的众多预测之一。

  Falcke说:“这种超重黑洞是空间和时间的最终点,很可能代表着人类知识的终极极限。”然而科学家们只能以间接证据证明,这些黑洞隐藏在宇宙中每个大星系的中心。即便爱因斯坦本人也无法确定它们是否真的存在。

  据Falcke所说,首批图像“将把黑洞从某种神秘物体,变成我们可以研究的实体。”

天文学家或将得到首张黑洞照片!

  物质核心:这幅插画描绘的是银河系中心超重黑洞的样子。

  供图:NRAO, AUI, NSF

天文学家或将得到首张黑洞照片!

  巡天之眼:上图是智利66个阿塔卡玛大型毫米/亚毫米阵列射电望远镜(ALMA)的一部分。

  供图:NRAO, AUI, NSF

天文学家或将得到首张黑洞照片!

  射电星:银河系中心区域的近景,那里正是超重黑洞的所在。

  供图:NRAO, AUI, NSF

天文学家或将得到首张黑洞照片!

  舞台中央:地面的一架射电天文台与太空中两架望远镜相配合,产生了这张银河系中心的图像。

  供图:NRAO, AUI, NSF

天文学家或将得到首张黑洞照片!

  银河巨物:美国宇航局一架望远镜观测到的遥远星系中,一圈恒星环绕着中心的一个黑洞。

  供图:NASA/JPL-CALTECH

天文学家或将得到首张黑洞照片!

  小而强悍:除了超重黑洞,天文学家们还发现了较轻黑洞在星系中四处散布的证据。该图正是美国宇航局X射线望远镜拍摄到的脉冲。

  供图:NASA, STSCI, MIDDLEBURY COLLEGE, F. WINKLER ET AL.

天文学家或将得到首张黑洞照片!

  熠熠生辉:图上的品红色圆点,是螺旋星系旋臂上小型黑洞发射出来的明亮X射线。

  供图:NASA, JPL-CALTECH, DSS

天文学家或将得到首张黑洞照片!

  黑洞喷发:两个正在融合的星系显示出多种波长的色彩,原因在于它们正在经历一个超重黑洞的大爆发。

  供图:NASA, CXC, SAO, R. VAN WEEREN ET AL

天文学家或将得到首张黑洞照片!

  喷射流:这张哈勃望远镜拍摄的图像显示,高速粒子从星系中心的超重黑洞里喷射而出。

  供图:NASA, ESA, STSCI

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  宇宙巨兽:美国宇航局一架望远镜观测到了迄今为止最强劲的超重黑洞X射线辐射。该黑洞距离地球约39亿光年。

  供图:NASA, CXC, STANFORD, J.HLAVACEK-LARRONDO ET AL

  磨人的天气预测

  能取得这般成就,得益于从夏威夷最高山到南极点冰原上各国天文台的多年计划与协作。这八座以电子方式相互连接的天文台网络,创造了一个与地球等宽的虚拟望远镜盘面。

天文学家或将得到首张黑洞照片!

  制图:JASON TREAT AND ALEXANDER STEGMAIER, NGM STAFF

  艺术设计:MARK A. GARLICK

  这架超级望远镜名为“视界望远镜”,在4月4日之后10天的窗口期内将目光望向了宇宙。

  望远镜瞄准了两个超重黑洞:一个是名叫人马座A*(Sagittarius A*)的黑洞,位于银河系中心,比太阳重约400万倍;另一个则位于附近的M87星系中心,比太阳重约1,500倍。

  此前,视界望远镜曾观测过这两个超级巨兽的周边环境,但这是第一次将南极望远镜和智利阿塔卡玛大型毫米/亚毫米阵列望远镜(ALMA)纳入进来。

  阿塔卡玛阵列望远镜使视界望远镜的精度提高了10倍,从而可以看到月球上高尔夫球大小的物体,并能够拍摄到两个黑洞周围极小的视界。

  多年时间,研究团队一直在调整多座望远镜的观测时间,并为每个地方配备关键的电子仪器。然而最终眷顾他们的却是他们无法控制的一个因素——天气。

  永远吃不饱的怪兽

  名称或许有种虚空的意味,但由于黑洞的引力巨大,因此它们其实就是宇宙中密度最大的天体。由巨大恒星坍缩形成的恒星黑洞,能将十个太阳压缩成纽约市大小。星系中心的超重黑洞,其质量是太阳的数十亿倍。它们的起源至今仍是未解之谜

天文学家或将得到首张黑洞照片!

  制图:JASON TREAT AND ALEXANDER STEGMAIER, NGM STAFF

  艺术设计:MARK A. GARLICK

  
人马座A*

  1974年,科学家们发现了一个非常紧凑的电磁波。它来源于距离地球26,000光年的人马座中的某个区域,科学家们将其称为人马座A*(英文简称Sgr A*)。如今,人们得知这个电磁波的源头是一个超重黑洞,位于我们星系的中心,质量是太阳的400多万倍。

  1.奇点

  根据爱因斯坦方程,在黑洞中心,一颗恒星全部的质量都坍缩成了密度无限大、无量纲的点,即为奇点。奇点可能并不存在,但是在我们对重力的理解中,奇点却指向了一个数学上的“洞”。

  2.视界

  围绕在人马座A*周围约1,280万英里范围内的视界,即为光都无法逃出黑洞引力的边界。

  3.静态极限

  黑洞的旋转会扭曲空间,使环绕在其周围的物质公转速度加快或减慢。在某些环绕轨道上,某些物体以光速相对于黑洞的旋转而运动,从而看上去像是静止状态。这一轨道即为静态极限。

  4.吸积盘

  人马座A*周围有一圈以接近光速旋转的超热气体和尘埃盘。这个盘面能发射出热、无线电噪声和X射线,但与其它星系中的吸积盘相比却温和许多。

  5.X射线喷流

  虽然人马座A*如今看起来很平静,但在20,000年前左右,它可能吞噬了一颗恒星或者比太阳重100倍的气体云。这顿“大餐”产生的X射线喷流从黑洞的两极向外喷射。(黑洞的两极与星系盘面的夹角为15度。)

  天文学家以毫米级无线电波观测这些黑洞,因为在这个波长范围内,光可以透过星系中心浓厚的气体与尘埃,相对畅通无阻地到达地球。

  但是水却能吸收并发出无线电波,因此,降雨会影响观测结果。

  为了将影响最小化,射电望远镜通常安放在高海拔的地方,比如山顶或荒漠高原上,但是,侵入的云朵和雨雪仍然会导致天文台无法工作。此外,高海拔地区的强风也会让望远镜宕机。

  Fish说:“几乎不可能在所有观测地点都碰上好天气,这种可能性是零。”

  由于只有五天时间可以进行观测,因此,Fish和同事们每天都要碰头,做出让人头疼的决策,决定是否该激活观测网络,分析每个观测地点目前的天气状况以及未来几天是否有变。在麻省理工的天文台里,Fish常会在一个屏幕上密切关注每个观测点的天气,然后在另一个屏幕上与天文学家们沟通。

  “如果坏天气来了导致停工一晚,或者取消观测之后结果当晚又是好天气,无论发生哪个都让人很伤心。”视界望远镜的负责人ShepDoeleman这样说道。

  海量数据

  宝贵的观测时间已然结束,天文学家们要对数据进行长达几个月的分析,然后才能确定他们能否为黑洞描绘出一幅肖像。

  每一个天文台产生的数据量都非常庞大,无法通过电子渠道传输。所有望远镜产生的数据量,相当于一万台笔记本电脑的存储空间。这些数据装满了1,024块硬盘。所有硬盘都要寄到麻省理工Haystack天文台的视界望远镜处理中心,以及德国伯恩的马克斯·普朗克射电天文学研究所。

  而南极地区的望远镜所存储的硬盘只能等到10月底,也就是当地冬季结束之后才能空运出来。

  数据送至处理中心后,一大堆处理器将会把八个天文台收集到的时标数据整合起来。比对和同步无线电波数据必须格外仔细,这样一来,有关视界大小及结构的关键信息才不会在拼合的时候丢失。

  这种混合无线电波的技术叫作“甚长基线干涉测量”,在射电天文学领域十分普遍。但是一般情况下,望远镜的数量不会这么多,也不会分布得这么分散。

  “我们试图将地球大小的一个网络连贯起来,想起来就觉得不可议。”Doeleman说道。

  天文学家们希望,在所有信号都汇总后能看到一个光环环绕着一个黑圈(即黑洞的影子)。新月形状的光线来自于几千亿度高温的发光气体。气体在黑洞外面公转,标记着视界之外的区域。某些电脑模拟显示,光环的一侧可能比另一侧更厚、更亮。

  即使他们无法从这次观测中得出图像,Doeleman和同事们也已经计划好,准备明年用更大的射电望远镜网络再试一次。

  Falcke说:“再过10年到50年,我们将会把望远镜网络扩展到非洲并最终扩展到太空中,我们将能得到许多清晰的图像。”

  (译者:Mikegao)

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