视界面望远镜:为黑洞拍首张照片

2017-04-10 12:55 来源:中国科普博览 
2017-04-10 12:55:58来源:中国科普博览作者:责任编辑:肖春芳

  研究黑洞将近20年,我常常被人问到“黑洞是什么样的”。

  说实话,我并不确定。

  除了在论文课件中自制的效果图,第一次“亲眼”看到黑洞形象是2015年在电影院里,荧幕上是《星际穿越》中的黑洞“卡冈图雅”——深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆环——相对论物理学家基普·索恩为影片设计的黑洞形象(见图一),和想象中的相差无几。 

视界面望远镜:为黑洞拍首张照片

图一:电影星际穿越当中的黑洞,周围的亮环是由气体构成的吸积盘

  从广义相对论推知而来的黑洞,就存在于宇宙深处,这一点在21世纪的今天或已无可置疑。

  黑洞确凿地存在于无数观测数据之中,但我们并不知道它在现实中的真实模样。

  如今,人类终于要为黑洞拍下第一张真正的照片了

  就在今年的4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们将开展一项雄心勃勃的庞大观测计划,利用分布于全球不同地区8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,人类或将第一次看到黑洞的视界面。这个虚拟的望远镜网络被称为 “视界面望远镜”(Event Horizon Telescope, EHT),其有效口径尺寸将达到地球直径大小。

  人类在2015年第一次听到了两个黑洞相互绕转合并所产生的引力波之声,如今科学家们又在为亲眼目睹黑洞真容而努力了。

  不过,因为视界面望远镜要处理的数据量巨大,为黑洞“洗照片”的耗时恐怕有些漫长,黑洞的面貌究竟是否真如作家、艺术家或电影导演所呈现的那般, 我们要到2018年才能知道了

  无论我们最终得到的黑洞图像是什么样子——是像电影画面一般壮观恢弘,或者只有几个模糊的像素点——视界面望远镜都意义非凡,这是我们在黑洞观测史上迈出的重要一步。观测结果不仅仅是一张照片那么简单, 它一方面呼应着爱因斯坦的广义相对论,一方面也将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的

  我们将成为有史以来第一批“看见”黑洞的人类,真是好运气。 

  一、

  无图无真相,

  科学家怎么知道黑洞在那里?

  尽管“黑洞”(black hole)一词在1968年才由美国天体物理学家约翰·惠勒提出来,但早在1783年,英国地理学家约翰·米歇尔(John Michell)便已经意识到:一个致密天体的密度可以大到连光都无法逃逸。这也是普通人在今天对于黑洞的最基本认识:吸入所有一切,连光都逃不。 

  既然想一睹黑洞“芳容”,我们对这个遥远天体的认识就得再多些。黑洞的几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,“奇点”在其周围形成一个强大的引力场,在一定范围之内,连光线都无法逃脱。

  光线不能逃脱的临界半径被称为“视界面”——顾名思义就是视线所能到达的界面。

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