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跨越5500万光年的曝光:原来你是这样的黑洞!
作者: 日期:2019-04-11

  2019年4月10日,人类终于看见黑洞真容!

  这张在全球多地同步公布的“大片”,证实了神秘天体黑洞的存在,也使得爱因斯坦的百年猜想终得检验!

  经过10多年准备,四大洲8个观测点组成虚拟望远镜网络——一个如同地球直径大小的事件视界望远镜,在集齐所有观测数据并深度分析后,让黑洞终于拥有了一张“正面照”。

  为何要给黑洞拍照?获得这张照片有多难?人类合作探究宇宙还将揭示哪些新的奥秘?新华社记者第一时间采访了参与国际合作的中外科学家,对此作出解答。

  首次“看到”黑洞:爱因斯坦说对了

  浩瀚星空中,黑洞是极神秘又惹人遐思的天体。

  它,“吞噬”一切,连光也无法逃脱。它,体积小、质量大,可以弯曲周围的时空。它的“前世今生”带着重重谜团,让人好奇无比。

  百余年来,人类探寻黑洞奥秘的脚步从未停歇。

  从爱因斯坦的广义相对论率先预言黑洞的存在,到惠勒提出“黑洞”概念,再到霍金提出“黑洞是时空的扭曲者”……科学家们日益相信,宇宙中存在许多大小不一的黑洞,甚至在银河系的中心就有一个超大黑洞。

  多年来,一些间接证据陆续证实黑洞的存在,人类不断插上科幻翅膀勾画黑洞容颜。

  科幻电影也在不断“幻想”黑洞影像。在电影《星际穿越》中,黑洞“卡冈图雅”是那深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆圈。

  就在4年前,两个黑洞合并产生的引力波信号被科学家“捕捉”到,成为科学界的一个里程碑事件,人类开始“听”到黑洞。

  这一次,人类终于眼见为实。

  此次露出真容的黑洞,位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环!

  “观测结果与理论预言非常一致,这证实在黑洞这样的极端条件下,广义相对论仍然成立。”中国科学院上海天文台台长沈志强说,先辈科学家为我们这个世界搭建的理论模型,再次经受住考验。

  上海天文台研究员路如森难掩兴奋:“黑洞的暗影区域和光环,相当于打开一扇窗,未来可以更好地重构黑洞‘吞噬’的物理过程,深入了解这个过程中发生的奇异事件。”

  拍照难在哪?用难以想象的计划寻找“至暗信号”

  给黑洞拍照的难点,在参与此次大科学计划的专家眼中,可以用三个字来形容:“小”“暗”“扰”——细节太小,信号太暗,干扰太多。

  黑洞如此遥远,寻找它如同从地球观察月球上的一个橘子,需要的望远镜口径超乎想象。况且,这个望远镜还要足够灵敏,才能“看”得清极其微小的细节。

  自400多年前伽利略发明望远镜以来,人类科技水平的飞速提升让望远镜的口径越来越大、“分工”越来越细。但要给黑洞拍照,依靠人类现有任何单个天文望远镜都远远不够。

  这是一个难以想象的大科学计划:用分布全球的8个观测点,组成一个口径如地球直径大小的虚拟望远镜。条件苛刻的观测点,包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。

  要顺利拍照,不仅要“看”得远,还要选对频道。“对黑洞成像而言,最佳的波段进行观测至关重要,这个波段就在1毫米附近,成像的分辨率相当于能在黑龙江漠河阅读南沙群岛上的一张报纸。”路如森说。

  不同的望远镜各有所长。正是给黑洞拍照的这一特殊要求,让包括“中国天眼”在内的一些大型望远镜“束手旁观”。

  专家解释,这一波段的黑洞电磁波辐射最明亮,而背景“噪音”的干扰又最小。

  拍照难,洗照也不易。望远镜记录下的海量数据,需要进行复杂的后期处理和分析,才能获取最终的黑洞图像。

  以2017年4月的观测为例,每个台站的数据率达到惊人的32GB/秒,8个台站在5天观测期间共记录约3500TB的数据。专家表示,如果是像看电影一样不间断地看,这些数据至少需要500多年才能看完。

  该国际合作项目负责人、哈佛大学教授谢泼德·多尔曼表示,10多年来,正是技术的突破、新望远镜的建成,最终使人类能够“看到”黑洞。

  跻身一流,中国成为国际科学合作重要参与者

  从首张月背照片到首张黑洞照片,人类观测宇宙的新窗口正在不断打开。在探索宇宙奥秘的征程中,中国也不断贡献着智慧。

  我国科学家全程参与了给黑洞拍照这项国际合作,在早期推动这一项国际合作、望远镜观测时间申请、夏威夷望远镜观测运行、后期数据处理和理论分析等方面均做出了贡献。

  沈志强说,基础科学研究的国际合作是大势所趋,但很多时候不能只靠经费投入“凑份子”,前期研究和人才积累是取得合作“话语权”的重要因素。

  从“中国天眼”(FAST)到“世界巨眼”(SKA),从人类基因组测序到泛第三极环境研究,近年来,中国参与国际合作的广度和深度不断加大,在吸收世界创新养分的同时,也不断贡献中国智慧。

  随着全球射电天文学方兴未艾,接连涌现类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射四大天文发现。近年来,我国陆续建成多座射电望远镜,口径从25米到65米再到500米,从追赶到并跑,天文学研究开始逐步跻身一流。

  “过去一二十年间,中国在射电天体物理学、天文学等领域取得了巨大进展,在此次国际合作中做出了不可或缺的贡献。”荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克说,随着中国的射电干涉测量和太空探索能力迅速增长,中国将成为国际科学合作的重要参与者。

  黑洞的顺利成像不是终点。

  主持欧洲地区发布会的德国马克斯·普朗克射电天文研究所所长安东·岑苏斯强调,未来还将增加望远镜的数量,甚至对新的黑洞进行观测,继续验证广义相对论的有关预测,借此了解星系的形成和演进,为人类解开更多奥秘……

  爱因斯坦说,科学是永无止境的,它是一个永恒之谜。

  “在伟大梦想的支持下,人类科学探索的脚步,将永不停歇。”沈志强说。(新华社上海4月10日电 新华社记者陈芳、董瑞丰、王琳琳参与记者:刘芳、张毅荣、连振、黄堃、金立旺)

人类首张黑洞照片的三大看点

  新华社北京4月10日电 特稿:人类首张黑洞照片的三大看点

  新华社记者

  人类获得的首张黑洞照片10日面世。这一重大科学成果由全球多国科研人员历经数年合作完成。那么,这张照片在科学上有多重要?拍到黑洞照片有多难?中国又发挥了什么作用?

  “具有历史性意义”

  两百多年前,就有科研人员设想宇宙中存在一种质量巨大、引力强到连光也无法逃脱的天体。爱因斯坦在一百多年前提出的广义相对论,可用于计算出这种天体的若干性质。但黑洞作为一个科学术语,直到20世纪60年代才由美国天体物理学家约翰·惠勒提出。

  几十年来,黑洞引发人们无数遐想,但没有人知道它的真正模样。正因为这个,第一张黑洞照片才备受期待,被誉为“非凡的科研成果”,是天文学上的“重要里程碑”,“具有历史性意义”。

  给黑洞拍照的“事件视界望远镜”项目科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克告诉新华社记者,黑洞涉及人类对宇宙的根本了解,“我们的宇宙中有两大理论,爱因斯坦的相对论描述了宏观,量子力学描述了微观,但是在黑洞的边缘,相对论与量子力学无法协调,在那里可能会发现新的东西”。

  美国亚利桑那大学天文学副教授丹尼尔·马罗内认为,黑洞之所以重要,是因为它在长时间尺度上会影响宇宙演化。但人们并没有完全了解黑洞如何吞噬物质,然后又将其中一部分以接近光速向外喷射,影响其所在星系。黑洞照片不仅将为广义相对论提供新信息,也有助于了解黑洞喷流的形成过程。

  1919年,人们在非洲和南美出现日食时观测到光线的弯曲,从而验证了广义相对论相关预言的正确性。百年后发布的黑洞照片,又一次支持广义相对论。不由让人想起被多次重复的那句话:爱因斯坦又对了。

  “上一代人不可能做到的事”

  由于光线无法逃出黑洞,科研人员要拍的实际上是黑洞产生的“阴影”以及周围的吸积盘等,从而描绘出黑洞的轮廓。此次拍照的一个目标是代号为M87的超巨椭圆星系中心黑洞,它的质量是太阳的65亿倍,但离我们实在太远,达到5500万光年。

  要拍摄这么远的对象,科学家模拟出口径像地球一样大的望远镜,这就是“事件视界望远镜”,它集合了分布在全球各地的多个射电望远镜。从智利阿塔卡马沙漠到南极冰原,从西班牙的高山到夏威夷的海岛,8个射电望远镜通过“甚长基线干涉测量技术”联合起来,成功拍到人类历史上第一张黑洞照片。

  谈及给黑洞拍照的难度,项目协作委员会主席、德国马克斯·普朗克射电天文研究所所长安东·岑苏斯打比方说:“如果地球是平的,那使用这一技术可以从波恩看清纽约街头报纸上的字。”

  经大约两年的数据处理及理论分析,照片才成功“冲洗”出来。照片展示了一个中心黑色的明亮环状结构,有点像甜甜圈,也与此前科幻电影《星际穿越》科学顾问根据相对论等模拟的黑洞图片相似。“事件视界望远镜”项目专家认为,与理论预测一致,这也证明拍到的就是黑洞。

  “我们已经完成了上一代人认为不可能做到的事情,”项目主任、美国哈佛-史密森天体物理学中心的谢泼德·杜勒曼总结说,“技术的突破、世界上最好的射电望远镜之间的合作、创新的算法都汇聚到一起,打开了一个了解黑洞的全新窗口。”

  此外,此次合作汇集了全球超过200名研究人员的共同努力,项目协调并非易事。项目科学委员会主席法尔克说:“不同文化、不同机构、不同国家和大洲(的科研人员)走到一起合作并不容易,但如果有共同愿景的驱动,有首次看到黑洞的共同梦想,合作就变得可能。”

  “期待中国成为重要一员”

  在“事件视界望远镜”项目中,中国科学院天文大科学研究中心(国家天文台、紫金山天文台和上海天文台)参与了位于美国夏威夷的东亚JCMT望远镜对黑洞的观测,多名中国学者是此次黑洞照片相关论文的作者。

  不过,中国天文学界清醒地认识到目前的“参与者”角色。中国科学院国家天文台副台长薛随建指出,这次“算是重在参与”,但为在相关科研领域“机制性参与国际合作组织、逐渐发挥越来越重要的作用,做出了良好的示范”。

  毫无疑问,“在中国科学界参与的三十米望远镜(TMT)等其他重大国际项目中,那些可预期和不可预期的重大发现将更加激动人心,”薛随建在接受新华社记者采访时说。

  太空可能是中国未来能发挥更多作用的地方。法尔克说,今后要拍摄更好的黑洞照片,就需要比地球还大的望远镜,这就需要走向太空,“中国在射电干涉测量技术和太空探索方面的能力正快速增长,我期待未来中国能成为这个领域的重要一员”。

  回顾与国际同行共同拍出人类首张黑洞照片的经历,中国科学院上海天文台研究员路如森说:“作为长期深度参与‘事件视界望远镜’国际合作的中国研究人员,我觉得这张黑洞照片是科学共同体的努力结果。科学对人类发展至关重要,人类的科学共同体也是人类命运共同体的重要组成部分。”(执笔记者:黄堃;参与记者:刘芳、张毅荣、周舟、郭爽、王琳琳)


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