作者：桂思奇、王國燕

編輯：Yuki

 

今天，是一個具有特殊意義的日子，就在剛才，我們見證了人類歷史上第一張黑洞的照片——來自M87星系。

 

 

這個潛伏在宇宙中施展“吸星大法”的“宇宙怪獸”，終于將它的真實風采展現給世人！

 

這次的黑洞照片由EHT項目和中國科學院共同發布，這是國際天文學家門共同協作完成的一個重大成就，也是一個令全球矚目的重大成果。比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓六地以英語、西班牙語、漢語和日語四種語言進行了同步直播。

 

（加入黑洞觀測計劃的各國天文望遠鏡。圖片來源：北京時間）

 

為什們說這是轟動世界的大事件呢？

 

因為在此之前，黑洞的模樣一直都只停留在人們的猜想和推測中，雖然科學家們曾經描繪過許多關于黑洞的想象圖，但沒人見過真正的黑洞長什么樣。

今年2月，法國梅東的巴黎天文臺的 Jean-Pierre Lumine，發布了一份黑洞成像歷史,為人們展示了各種黑洞的模擬圖 [1] 。

 

（1979年，巴黎天文臺的Jean-Pierre Lumine手繪黑洞圖像。圖片來源：Science| J.-P. LUMINET）

 

（利用計算機模擬出的一個非旋轉黑洞及其吸積盤不同角度樣貌的圖像。圖片來源：Science| J. A. MARCK/J.-P. LUMINET）

 

（電影《星際穿越》中的黑洞。圖片來源：Science| AF ARCHIVE/ALAMY STOCK PHOTO）

 

人們對黑洞形象的猜想大多與種模擬圖及科幻片中的一致： 它是一個能夠吞噬其他物質和光芒的，黑暗而深邃的“無底洞” 。

 

01 黑洞是怎樣形成的？

 

其實，黑洞并不是生來就是“宇宙怪獸”。

 

黑洞可以按照質量分為恒星級黑洞(質量一般是幾倍或者十幾倍于太陽的質量)， 中等質量黑洞(質量是數百到數十萬倍于太陽質量)和超大質量黑洞(其質量超過數十萬倍太陽質量)。

 

這次M87星系中心“看”到的就是這樣一個 超大質量黑洞 ，一般認為每個典型的大質量星系中心都會有一個這樣的超大質量黑洞。超大質量黑洞也許是恒星級黑洞在宇宙的漫長歲月里通過吞噬周圍物質或者通過相互并合長大的，具體機制我們仍然不是非常清楚。

 

而恒星級黑洞則是由是恒星演化而來的：

在恒星的一生中,總有兩種不同的力量在相互抗衡：自身的引力向內施壓,而內部熱核聚變反應所產生的能量則向外抵抗力。當這兩種力量不分伯仲的時候,恒星就處于較為穩定的狀態。

 

但恒星內部用于熱核聚變的燃料終有一天要用盡，當這一天來臨時，兩股力量的懸殊就會顯現出來：一旦恒星自身的引力占了上風，恒星就無可避免的向內坍縮，并且引力的作用會越來越劇烈。隨著恒星的物質變得越來越致密，它的逃逸速度也就越來越大。

 

當恒星致密到逃逸速度大于光速時，一個恒星級黑洞就形成了！此時，即便是宇宙間運動速度最快的物質——光，也無法逃離黑洞了。

 

（黑洞和各種星體的循環演變圖。圖片來源：騰訊網）

 

02 人類如何“看到”黑洞？

 

霍金在生前有一個說法，黑洞是無法被人類直接進行觀測的，這是因為任何進入黑洞邊界的物質和光都無法再逃出。這個無法再逃逸的邊界被成為事件視界。但是，在事件視界之外，周圍氣體被黑洞強大的引力所拉拽，形成一個熾熱的吸積盤，有時還伴有噴流。

 

吸積盤本質上是黑洞利用其強大的引力，拉扯周圍的氣體形成的熾熱氣體盤(因為角動量守恒)。 吸積盤會放出各種不同“顏色”(頻率)的輻射，幫助我們間接觀測黑洞 [2] 。

 

（黑洞積吸盤科幻圖。圖片來源：搜狐網）

 

“吸積盤”還經常會在臨近黑洞的地方產生定向、狹長、高速的“宇宙火柱”——“噴流”。

 

（黑洞“噴流”科幻圖。圖片來源：騰訊網）

 

通過觀測吸積盤或噴流的電磁輻射(比如EHT就是通過觀測毫米波段的電磁輻射，給超大質量黑洞拍照)，天文學家便可以勾勒出黑洞的面貌。日本國立天文臺就曾成功測量到“噴流”的根部直徑，從而弄清噴流機制和繪制黑洞圖像 [2] 。

 

03 “事件視界望遠鏡”（EHT）強強聯合為黑洞拍照

 

早在2006年，天文學家已經開始了對為超大質量黑洞拍照：

 

超大質量黑洞雖然質量很大，但是尺寸很小(對于銀河系中心的超大質量黑洞，質量是4百萬倍太陽質量；半徑只有太陽的17倍)，離我們地球很遠，拍照的難度很大(相當于從中國看清楚位于美國的一顆瓜子)，因此只有組建口徑為地球大小的望遠鏡才能看清楚。

 

到了2012年，天文學家在美國亞利桑那州舉行了首次國際會議，協調全球各地的大型天文望遠鏡，對M87星系進行觀測，捕捉黑洞周圍氣體發出的電磁信號——這個項目被稱為“ 事件視界望遠鏡 ”（EHT）。

 

（世界望遠鏡地理位置簡圖。圖片來源：sciencemag）

 

天文學家們利用“ 甚長基線干涉技術 ”(VLBI)，通過協調全球8個射電天文臺的望遠鏡，甚至位于南極的望遠鏡SPT也加入進來，構建了一個口徑等同于地球直徑的——“虛擬”望遠鏡，接收來自超大質量黑洞周圍的波長為毫米的光子，積累了海量的數據(數個PB；一個PB是1000TB，一百萬GB)。

 

（SPT南極望遠鏡。圖片來源：科學世界）

 

目前，EHT大約由全球12個國家的30所大學和科研機構組成，中國的中科院上海天文臺也是該項目的合作單位 [3] 。

 

通過對來自八個望遠鏡數據的合并和詳細分析，并與計算機模擬結果進行比對等復雜“照片沖洗”過程，天文學家最終得到了黑洞的圖像。

 

就在今天，事件視界望遠鏡（EHT）終于將這一偉大成果，展示給了公眾！

 

而這也將成為人類天文史上一個無比珍貴的記憶，被世人銘記。

 

作者名片

 

引用（來自網絡）：

[1]Here’s what scientists think a black hole looks like https://www.sciencemag.org/news/2019/04/here-s-what-scientists-think-black-hole-looks

[2]科學家成功測定“宇宙火柱”黑洞噴流

http://tech.qq.com/a/20120929/000101.htm

[3]天文學家將于4月10日公布重大消息：他們發現了什么？http://tech.zhejianglong.com/a/2019/0404/17315.html

神秘“黑洞”終現身！首張黑洞照片面世

圖文簡介

這次的黑洞照片由EHT項目和中國科學院共同發布，這是國際天文學家門共同協作完成的一個重大成就，也是一個令全球矚目的重大成果。