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科学家们如何看待“隐形” - 并捕获了黑洞的第一张图像

2021

事件地平线望远镜(EHT)的科学家周三宣布,他们已经成功地对距离地球近5500万光年的梅西耶87星系中心的超大质量黑洞的事件视界进行了成像。 这是一个火热的漩涡,新的形象出现在团队最初捕获他们的数据两年后,并结束了漫长的等待现代记忆中最令人兴奋的天体物理学努力之一。

“黑洞是宇宙中最神秘的物体,”EHT主任,哈佛 - 史密森天体物理学中心科学家Sheperd Doeleman在华盛顿特区举行的国家科学基金会新闻发布会上对观众说:“因为他们是这么小,我们从未见过一个。 我们很高兴今天能够向您报告我们已经看到并拍摄了一张黑洞。“

黑洞施加的重力是如此强大,以至于光线甚至无法逃脱它,这显然使得实际拍摄一张照片几乎不可能。 但黑洞拥有所谓的事件视界:一个指定不归路的边界。 穿过这个门槛的光和物质不会逃离黑洞,但是在时间范围内时空会发生翘曲,从而产生一个聚集物质的发光圈。 它创造了一种对象的轮廓 - 这就是EHT捕获的内容。

尽管如此,EHT实际上是一个由八个不同望远镜组成的项目,它们在世界各地的不同天文台同步运行,对M87中心的黑洞以及我们银河系中心的超大质量黑洞进行成像,射手座A *。 EHT于2006年首次进行数据采集,此后在其网络中增加了越来越多的观测站,现在包括夏威夷,亚利桑那,智利,南极洲,墨西哥和西班牙的亚毫米望远镜。 Doeleman解释说,M87的超大质量黑洞是他们成像的第一个来源,但他们目前正致力于对射手座A *进行成像。

新图片来自2017年4月9天内捕获的数据。实际拆包和分析所有天文台数据需要两年时间,部分原因是文件太大而无法以数字方式传输。 硬盘驱动器必须从天文台进行物理运输,以便科学家处理数据。 由于极端天气,特别是南极数据集数月仍然无法访问。

斯坦福大学的理论天体物理学家罗杰·布兰德福德没有参与EHT,他告诉“ 大众科学”,这一形象是“对团队的辛勤工作以及无线电天文学家50年的独创性致敬,然后才开始研究干涉测量技术。”

构成EHT的不同天文台都可以对空间中的不同物体进行不同的射频观测。 在这种情况下,它们都是对齐的,以观察每个黑洞的事件视界发出的辐射,协同工作以提供对如此小而遥远的事物成像所必需的极端光学分辨率。 亚利桑那大学的天文学家,EHT团队的成员Daniel Marrone在周三的新闻发布会上对观众说,虽然黑洞的质量是太阳的65亿倍,但事件视界基本上只有一个 - 和 - 半天光。 作为参考,M87本身已经是一个令人印象深刻的身体,在5500万光年远的地方成像,直径为120光年。 Doeleman称这一壮举“相当于我们在华盛顿特区站在洛杉矶的时候能够阅读洛杉矶四分之一的日期”

在宣布之前,目前尚不清楚EHT将向全世界揭示什么。 没有参与该项目的莱斯大学天文学家Andrea Isella事先告诉Popular Science ,虽然我们显然从未对射手座A *进行直接观察,但我们已经知道它存在了几十年。 我们可以观察它对附近物体的引力效应。 他说:“我们看到围绕着不能满足任何光学光线的恒星运转。”从这个运动中,我们可以测量出数百万太阳质量级的黑洞质量。“

布兰德福德此前强调了这一形象肯定爱因斯坦的广义相对论理论 - 我们如何表征重力与时空关系的模型 - 可以正确描述引力如何与这些超大型庞然大物相关联,浅谈黑洞本身的特性。 虽然广义相对论已经在较弱的情况下进行了多次测试,例如引力透镜(当它穿过大块物体时光线是如何弯曲的),但它从未在像黑洞这样强大的引力场中进行过测试。

EHT团队周三证实,新数据与之前用于表征黑洞和广义相对论的模型一致。 来自滑铁卢大学的艾弗里·布罗德里克解释说爱因斯坦错了,黑洞的轮廓可能看起来非常不同,甚至完全错过了。 相反,它是循环的,符合结构期望。

今天,广义相对论已经通过了另一个重要的考验,Bro布罗德里克说。

在某种程度上,黑洞实际上是非常简单的物体,I Isella说。 它们由他解释的两个主要参数定义:质量(已经通过它周围的恒星轨道估计)和旋转自旋。 黑洞的图像可以为您提供直接的线条来确定这些参数。 与我们的预期有任何重大偏差意味着我们还没有考虑过一些关键的缺失部分。 但是这个新形象令人鼓舞的消息是,我们所学到的关于黑洞的一切,甚至没有看到过,都是关键。

新发现将影响无数的天体物理和宇宙学研究。 在不久的将来,布兰德福德希望“他们将帮助我们了解事件视野之外的气体和磁场会发生什么,黑洞周围的气体旋转如何表现,以及相对论性的喷气机是如何以光速排出的电离物质“Broderick解释说,这些数据已被用于确定M87的顺时针旋转黑洞旋转,并具有明亮的新月形特征,内部颜色较暗。

在路上,布兰德福德认为天文学家可以利用这些数据更好地了解围绕银河系中心运行的各个恒星的行为,以及在黑洞外面的热气体在影响物体自身旋转方面的作用。 来自阿姆斯特丹大学的EHT团队成员Sera Markoff讨论了如何利用这种类型的工作来更好地理解黑洞喷射的辐射和粒子射流如何影响银河系的生长和演化。

但除了图像的科学相关性之外,还有一个值得强调的技术里程碑。 在许多方面,EHT是一种概念验证,用于获取非常小且非常远的天体的高分辨率图像。 完成这种类型的壮举基本上开辟了进行更大胆的天文学研究的整体方法。

“天文学中的很大一部分调查涉及试图对非常小的物体进行成像,”Isella说。 “这意味着,我们应该能够增加更多的望远镜,并获得更好的图像向前移动,以及成像其他黑洞,”Isella说。

这在图像的第一眼看上去可能不是很明显,这肯定比大多数公众所希望的更模糊。 图像从5, 000 TB的数据压缩了一百万次,不幸的是,锐度似乎仍然下降。 但是,通过后续观测中的不同方法可以使其更好,例如采用新算法,以及增加更多频率更高的望远镜。

事实上,天文学已经很好地用于这种逐步的过程。 以像冥王星这样的星球为例。 根据今天的标准,我们对矮行星的第一次看法是绝对混乱,但随着时间的推移,我们设法找到了一个与具有表面特征的真实行星非常相似的东西。 直到我们抓住冥王星的第一幅图像85年后,新地平线飞越,我们终于可以看到它的朦胧气氛,岩层和真实的表面颜色。

到2020年,该团队将在该项目下拥有11台望远镜,Doeleman和他的同事表示希望最终将望远镜放在太空中以进一步努力。 虽然M87的超大质量黑洞的新形象并没有从根本上改变我们对宇宙的理解,但它有助于打开通向全新空间视野的大门。

“我们已经暴露了我们之前认为对我们来说不可见的部分宇宙,”多尔曼说。 “大自然密谋让我们看到一些我们认为看不见的东西。”

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