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2019年4月10日 (2019年3月6日)

世界上首张黑洞图像出炉

    2019-04-10

    2019年4月10日(农历2019年3月6日),人类有史以来获得的第一张黑洞照片。

  北京时间2019年4月10日晚9点,黑洞事件视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)合作组织协调召开全球六地联合新闻发布会,宣布{b}人类首次利用一个口径如地球大小的虚拟射电望远镜,在近邻巨椭圆星系M87的中心成功捕获世界上首张黑洞图像{/b}(图1)。

  这张图像的意义非同一般,它提供了黑洞存在的直接“视觉”证据,使得在强引力场下验证爱因斯坦广义相?#26376;郟?#32454;致研究黑洞附近的物质吸积与相?#26376;?#24615;喷流成为可能。

  那么,黑洞为什么可以?#19978;?如何?#19978;?本文试图以亲历者的角度,对黑洞?#19978;?#30340;前前后后做一解读。

刚刚,世界上首张黑洞图像出炉

  图1. M87星系中心超大质量黑洞(M87*)的图像 (图源:参考资料)

  上方为2017年4月11日的图像,下方三个图为M87*在2017年4月5日、6日和10日的图像。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”(见下文),周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相?#26376;?#24615;射束(beaming)效应所造成的。由这种上(北)下(南)的不对称性可以定出黑洞的自旋方向。

  黑洞与广义相?#26376;?/h2>

  一百多年前,爱因斯坦提出广义相?#26376;郟?#23558;时间和空间结合为一个四维的时空,并提出引力可视为时空的扭曲。这一理论做出了不少重要预言,其中之一便是:当一个物体的质量不断塌缩,就能隐蔽在事件视界(event horizon) 之内——在这一黑洞的“势力范围”内,引力强大到连光都无法逃脱。

  对于广义相?#26376;?#30340;验证,可以追溯到一个世纪以前。1919年5月29日,Arthur Eddington等人在日全?#31216;?#38388;对太阳附近光线偏折的实验测量(图2) ,拉开了上世纪验证广义相?#26376;?#30340;序幕,并把爱因斯坦推上了科学的“神坛”。

刚刚,世界上首张黑洞图像出炉

  图2. 星光偏折验证广义相?#26376;?#31034;意图(图源:The Illustrated London News)

  一个世纪以来,广义相?#26376;?#32463;受住了接连不断的实验验证,黑洞的存在也已得到越来越多天文观测的佐证。

  目前,天文学家普遍相信黑洞确实存在于宇宙之中,从质量为数倍到数十倍于太阳的恒星级黑洞,到高达数百万倍甚至数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞,应有尽有。而且,超大质量黑洞存在于几乎所有星系的中心。

  然而,即使在LIGO/Virgo探测到引力波、从而权威性地证明黑洞存在的今天,人类还是没有直接看到能够揭秘极端条件下时空秘密的那个“洞”——“黑洞事件视界”。

  这或许正是黑洞本身的迷人之处所造成的——黑洞的致密程度让人难以想象!如果把地球压缩成一个黑洞,它的大小和一个汤圆差不多;而一个位于距离地球1kpc(约3262光年)处,10倍于太阳质量的恒星级黑洞,其事件视界的角直?#27934;?#23567;只有0.4纳角秒。这比哈勃望远镜的分辨率还要小约1亿倍,任何现有的天文观测手段都没有这样的分辨本领!

  为什么黑洞能?#19978;?

  既然黑洞是“黑”的,连光线都无法逃脱,那我们又该如何看到黑洞呢?

  事实上,黑洞并不是孤立存在的,它的周围存在大量气体。由于黑洞的强大引力,气体会朝黑洞下落。而当这些气体被加热到数十亿度高温时,便会发出强烈的辐射。同时,黑洞也会以喷流和风的形式向外喷射物质和能量。

  广义相?#26376;?#39044;言,我们将会看到中心区域存在一个由于黑洞视界形成的阴影(black hole shadow),周围环绕一个由吸积或喷流的辐射造成的光环——它状如新月,大小根据黑洞的自旋及与观测者视线方向的不同,介于4.8-5.2倍史瓦西半径之间(注:史瓦西半径是没有自旋的黑洞的事件视界半径;一个太阳质量的黑洞的视界半径约为3千米)。

  在没能一睹黑洞真容的岁月里,科学家通过计算了解黑洞的“样貌”。

  早在上世纪10年代后期,大数学家希尔伯特(David Hilbert)?#22270;?#31639;了黑洞周围的光线弯曲和引力透镜效应。

  70年代,James Bardeen及Jean-Pierre Luminet等人计算出了黑洞的图像(图3,左)。

  90年代后期,Heino Falcke等人针对银河系中心黑洞的情况做了详细计算,并引入了黑洞阴影的说法。他们同时指出,该黑洞阴影若是“镶嵌”在周围明亮的,光学薄(即对某一观测波长透明)的热气体中,就可以被(亚)毫米波甚长基线干涉测量技术“看到”。

  此后,人们利用广义相?#26376;?#30913;流体动力学数?#30340;?#25311;,针对黑洞?#19978;?#24320;展了大量研究,均预言黑洞阴影的存在(如图3,右)。因此,对黑洞的阴影的?#19978;?#25552;供了黑洞存在的直接“视觉”证据。

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  图3. 黑洞阴影图像(左图取?#22278;?#32771;资料,右图由作者提供)

  什么样的黑洞最适合?#19978;?

  虽说黑洞的阴影能被“看到”,但也不是所有黑洞都符合?#19978;?#26465;件。由前所述,黑洞是非常非常小的。能够?#19978;?#30340;黑洞,毫无疑问角直径必须足够大。由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比,这也就意味着黑洞的质量越大,事件视界就越大,也越适合?#19978;瘛?#22240;此,距离我们近的超大质量黑洞是完美的黑洞?#19978;?#20505;选体。

  位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A* 和近邻射电星系M87的中心黑洞M87* 是两个目前已知最优的候选体。

  银河系中心射电源Sgr A* ,是Bruce Balick和Robert Brown利用美国国立射电天文台干涉仪,于1974年发现的(关于其发现和命名的故事,参见)。目前已有越来越多的证据表明,它是一个质量约为400万倍太阳质量的黑洞。由于距离地球约为26万光年,银河系中心黑洞的史瓦西半径约为10微角秒,其黑洞阴影的角直?#27934;?#23567;相应为47-50微角秒,相当于一个?#36824;?#22312;月球上的角直?#27934;?#23567;(月球的角直径约为0.5度)。

  M87则是位于室女座方向的一个巨椭圆星系,距离地球约5500万光年。早在1918年,Heber Curtis就注意到一条奇特的准直光束“curious straight ray”与星系的中心相连。其实,这条准直的光束正是M87的喷流,从中心发出并?#30001;?#25968;千光年,成为M87最引人注目的特征。这也使得它成为首个被?#29616;?#20986;喷流的星系(图4)。

  和银河系中心一样,M87中心也有一个超大质量黑洞(现在按银心黑洞的命名习惯被称为M87*),其质量约为65亿倍太阳质量。这个黑洞虽比Sgr A* 质量大1500倍,但是距离也远了2000多倍,因此它看起来要比银心黑洞略小——其史瓦西半径约为7.6微角秒,黑洞阴影的大小相应为37-40微角秒。

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  图4. M87在不同尺度上的射电喷流(图源:参考资料)

  什么样的望远镜可以对黑洞?#19978;?

  目标已经选定,下面?#36879;?ldquo;磨刀上阵”了。古人云:“工欲善其事,必先利其器”,要对黑洞?#19978;瘢?#26368;好的工具莫过于甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技术。

  VLBI利用广为分布(距离可达上万或几十万公里)的射电望远镜,通过各台?#24452;?#31435;记录信号和后期对信号的综合相关处理,获得一个大小相当于各台站之间最大间距的巨型(虚拟)望远镜。该技术可取得天文研究中最高的分辨本领,其分辨率θ∼λ/D,其中λ为观测波长,D为最长基线长度。假定在1毫米波长观测,一个长度为1万公里(约为地球直径)的基线可获得约21微角秒的分辨本领。VLBI利用精准到每数亿年才误差一秒的原?#21448;?#26469;保证望远镜收集并记录的信号在时间上同步,并确保信号的稳定性。

  自上世纪60年代后期VLBI技术实现以来,其性能随着技术的进步得到不断提升,波长覆盖也从厘米波段扩展到目前处于国?#21490;?#23637;最?#25226;?#30340;(亚)毫米波段。

  如同观看电视节目必须选对频道一样,对黑洞?#19978;?#32780;言,能够在合适的波段进行VLBI观测至关重要。观测黑洞视界的最佳波段在1毫米附近,并非单纯由于其高分辨本领,更有以下几个重要的考虑/优势:

  黑洞周围气体的辐射在短毫米波段变得透明(“光学薄”)。这一点对黑洞?#19978;?#33267;关重要,否则分辨?#35797;?#39640;?#21442;?#27982;于事。

  吸积气体在这个波段的辐射最明亮。为了“看到”黑洞视界,其周围的辐射相对我们的观测设备的灵敏度而言必须足够“亮”。

  无线电波在这一波段受到的星际散射干扰很小。这点对银河系中心尤为重要,因为它在厘米波段及以上受到强烈星际散射的影响,使得我们无法看到黑洞周围辐射的内禀结构。

  另外,还有台站的布局、灵敏度的提升等很多重要因素也需要考虑。

  由此,我们不难发现,并不是只要VLBI阵列的分辨?#39318;?#22815;高就可对黑洞进行成功拍照!

  EHT及其在2017年4月的观测

  近年来,1.3毫米VLBI观测在Sgr A* 和M87* 中已经分别探测到黑洞事件视界尺度上的结构,这对黑洞?#19978;?#32780;言是非常鼓舞人心的。但受到台站数?#32771;?#28789;敏度的限制,详细的?#19978;?#35266;测一直无法开展。

  随着新的、高灵敏度亚毫米波台站(尤其是Atacama Large Millimeter/submillimeter Array等)加入到全球1.3毫米-VLBI阵列,黑洞的?#19978;?#35266;测成为可能。

  为了捕获第一张黑洞图像,目前由来自包括中国在内的十几个国家(地区)的200多名科学家形成了EHT这一重大国际合作计划。EHT观测所利用的技术就是(亚)毫米波VLBI,目前其工作波段在1.3毫米,并将有望扩展到0.8毫?#20303;?/p>

  通过对黑洞?#19978;瘢珽HT可在强引力场的极端环境下验证爱因斯坦的广义相?#26376;郟?#24182;细致研究黑洞周围的物质吸积和喷流的形成及传播。

  作为对100年前爱丁顿等人验证广义相?#26376;?#30340;回声,EHT合作者们在2017年4月份到多个世界上最高、最偏僻的射电天文台,以一种爱因斯坦永远也?#25442;?#24819;到的方式去检验他的广义相?#26376;邸?/p>

  参与此次观测的包括位于世界6个地点的8个台站 (表1,图5)。

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  表1. 参加EHT观测的望远镜信息,其中,ALMA,LMT,SMA和SPT的有效口径只针对2017年

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  图5. 2017年4月份参加EHT观测的8个VLBI台站 (图片由作者提供)

  实线连接的为观测M87的5个地点(7个台站;由于位置限制,位于南极的SPT望远镜无法观测到M87),虚线连接的为观测一个校准源(3C279)的台?#23613;?/p>

  为了增加探测灵敏度,EHT所记录的数据量非常庞大。2017年4月份的观测中,每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s,8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据(相当于350万部电影,至少要几百年才能看完!)。

  EHT采用专用?#25165;?#26469;记录数据,再把它们送回数据中心进行处理。在那里,研究人员用超?#37117;?#31639;机矫正电磁波抵达不同望远镜的时间差,并把所有数据做互相关综合处理,从而达到信号相干的目的。

  在此基础之上,通过对这些数据经过近两年时间的后期处理和分析,人类终于捕获了首张黑洞图像。

  我国科学?#39029;?#26399;关注高分辨率黑洞?#19978;?#30740;究,在EHT国际合作形成之前就已开展了多方面具有国际显?#24452;?#30340;相关工作。在此次EHT合作中,中国科学?#20197;?#26089;期共同推动了EHT的合作并参与了EHT望远镜观测时间的申请,同时协助JCMT望远镜开?#26500;?#27979;并参与数据处理和结果理论分析等,为EHT黑洞?#19978;?#20570;出了积极的贡?#20303;?/p>

 后续更精彩,敬请期待

  由于对M87中央黑洞质量的不同测量方法(气体动力学vs.恒星动力学)所得结果差了近2倍,因此能对M87*?#19978;?#36824;是让人稍有意外的。然而,对M87黑洞的顺利?#19978;?#32477;非EHT的终点?#23613;?#30456;反,这一令人兴奋的结果必将激发人们对于黑洞研究的更多兴趣和热情。

  目前,对2017年M87的观测数据仍在继续分析?#23567;?#30740;究人员希望通过对辐射的偏振研究来获取黑洞周围的磁场性质,这对理解黑洞周围的物质吸积及喷流形成至关重要。

  另一个最佳?#19978;?#20505;选体——银河系中心黑洞的质量更加确定,而之前的EHT观测结果已经表明,黑洞周围出现“中间暗,周围(一边)亮”的结构,其总体特征大小为5倍史瓦西半径,与广义相?#26376;?#39044;言一致(参考资料及图6)。

  随着后续更多的观测台站(如Northern Extended Millimeter Array, Kitt Peak Telescope)加入EHT,以及数据质量(灵敏度)的提升,我们完全有理?#19978;?#20449;,在不久的将来EHT能?#25442;?#24471;银心黑洞更加清晰的图像。

  让我们拭目以待!

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  图6.针对银心黑洞的1.3毫米VLBI观测示意图 (图源:Max Planck Society)

  2013年利用位于4个地点的6个VLBI台站开展针对银心黑洞的1.3毫米VLBI观测示意图,其中内嵌图给出了与观测相符合的两个最可能辐射结构的模型。注:在VLBI发展的早期或者一般在基线覆盖不太理想的情况下,通常考虑用简单的几何模型(如高斯)来拟合观测到的(可见度)数据。很多早期的发现,比如视超光速运动,都是在非常有限的几条(甚至一条)基线的情况下、基于简单的几何模型做出的。

  作者简介

  路如森,中国科学院上海天文台研究?#34180;?010和2011年分别获得德国科隆大学?#26925;?#22269;科学院上海天文台理学博士学位,2018年入选第十四批“千人计划”青年项目,研究方向为高分辨率射电天体物理。

  左文文,中国科学院上海天文台副研究?#20445;?014年获得北京大学天体物理博士学位,目前从事高红移类星体研究和科学传播工作。 

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    • 1906年4月10日 中国公学在上海创办
    • 1938年4月10日 鲁迅艺术学院在?#24433;?#25104;立
    • 1980年4月10日 中国第一家中外合资企?#24403;?#25209;准成立
    • 1917年4月10日 ?#24515;?#32467;束逃亡生活回到彼得格勒
    • 1992年4月10日 《红太阳》歌带在全国畅销
    • 1995年4月10日 中国首次“网上会诊”
    • 2018年4月10日 开国少将李耀文逝世
    • 1993年4月10日 我国首次在南京汤山溶洞发现早期人类头骨化石
    • 2018年4月10日 深圳第一任?#24418;?#20070;记吴南生逝世 享年96岁
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