關於史上首張黑洞照片,這些是你需要的科普資料

人類歷史上首張黑洞照片揭曉。台北時間4月10日21時,全球六地(布魯塞爾、聖地亞哥、上海、台北、東京和華盛頓)聯合召開新聞發佈會,公佈這一重大科學成果。

中央研究院院長廖俊智指出,此為史上第一張超大質量黑洞影像,「這是一個空前的紀錄」。全球八個參與此計畫的觀測站中,中研院天文所參與三個觀測站,負責其中四個望遠鏡的建設與運轉。他希望透過此次記者會,告訴國人,台灣在世界重要的科學研究之中,占有一席之地。

關於史上首張黑洞照片,這些是你需要的科普資料

問:台灣在EHT計畫中參與了那些部分?

「台灣在本世紀重要發現之一佔有一席之地」中研院長廖俊智表示,EHT計畫透過多個望遠鏡陣列,形成一個直徑跟地球一樣大的望遠鏡,其拍攝的解析度可以解析鄰近黑洞的陰影。

廖俊智指出,參與EHT的8座望遠鏡中,其中3座由中研院支援運轉,包括在夏威夷、東亞天文台和智利的望遠鏡,中研院也是首次觀測成像的4個參與團隊之一,除了中研院天文所團隊的投入,也感謝科技部和中山科學研究院的支持協助,讓台灣在這個重要的科學發現中佔有一席之地,也為人類知識帶來突破性發展。

EHT合作計畫共有來自世界各地200多位研究人員參與,依照不同專長類別分成多組團隊,而中研院團隊除了支援望遠鏡的運轉,還提出觀測計畫,並負責資料成像處理和模型電腦模擬。

 

 

問:什麼是黑洞?

答:根據愛因斯坦廣義相對論引力場方程式的計算,如果大量物質集中於空間一點,奇點周圍會形成時空扭曲的「視界」,一旦進入這個臨界點,連光子也無法逃逸。

這個預測在1916年被提出來,不過,直到1967年,普林斯頓大學核物理學家約翰·惠勒才在一場講座裡首次使用了「黑洞」(black hole)這個詞彙用以取代從前的「重力完全塌縮的星球」,並迅速流傳開來。

 

問:既然看不見,怎麼拍黑洞的照片?

答:雖然科學家們看不到黑洞的本體,但可以一直追溯到光子消失的「視界」,這是我們能「看到」的極限。

黑洞周圍的確會存在一些發光的現象,比如黑洞在吃掉周圍的恆星時,會將恆星的氣體撕扯到身邊,形成一個旋轉的吸積盤。黑洞有時候也會「打嗝」,一部分吸積氣體會沿轉動方向被拋射出去,形成噴流。

吸積盤和噴流都會因氣體摩擦而產生明亮的光線,以及其他頻段的輻射。

 

問:怎麼尋找黑洞?

答:科學家們可以透過黑洞對周圍天體的影響來間接地感受到它的存在,尤其是它巨大的引力造成的時空扭曲,就像可以透過月亮的繞行軌道和速度來間接推測地球的質量。另外,剛才提到的吸積盤和噴流會產生發光現象,伴隨其他頻段的輻射,以及,黑洞與其他天體或另一個黑洞的相互作用會產生大量引力波,也是可探測的線索。

問:有確認存在的黑洞嗎?

答:有。人類探測到的第一例引力波訊號,就是由雙黑洞併合產生的。

人類發現的第一個強有力的黑洞候選天體是1964年發現的天鵝座X-1,距離地球約6000光年。天鵝座X-1有一個正在被它吃掉的「舞伴」,但伴星的質量卻比它本身更加大,引發了廣泛的爭議,其身份長期懸而不決,霍金都為此打過賭(並輸掉了)。科學家們後來測得天鵝座X-1的質量約為14.8個太陽,視界半徑300公里,應該是一個「胃口」非常小的黑洞。

目前,科學家們更為關注的一類黑洞候選系統是軟X射線瞬變源。這類系統包含一個小質量的舞伴,通常處於寧靜態,但會出現間歇性的X射線爆發現象,間隔時間從數月到數十年不等。間歇性爆發的時候,就是探測黑洞的好時機。

根據理論計算,銀河系中應該存在上千萬個恆星量級的黑洞,現在得到確認的只有20多個。 

問:對黑洞的研究始於何時?

答:一百多年前,愛因斯坦提出廣義相對論,將時間和空間結合為一個四維的時空,並提出引力可視為時空的扭曲。這一理論做出了不少重要預言,其中之一便是:當一個物體的質量不斷塌縮,就能隱蔽在事件視界(event horizon) 之內——在這一黑洞的「勢力範圍」內,引力強大到連光都無法逃脫。

1916年,德國天文學家卡爾‧史瓦西通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解,這個解表明,如果將大量物質集中於空間一點,其周圍會產生奇異的現象,即在質點周圍存在一個界面——「視界」一旦進入這個界面,即使光也無法逃脫。這種「不可思議的天體」被美國物理學家約翰‧阿奇博爾德‧惠勒命名為「黑洞」。 

問:黑洞有多少種?

按組成來劃分,黑洞可以分為兩大類。一是暗能量黑洞,二是物理黑洞。

按物理性質劃分,根據黑洞本身的物理特性質量,角動量,電荷劃分,可以將黑洞分為四類。

(Ⅰ)不旋轉不帶電荷的黑洞

(Ⅱ)不旋轉帶電黑洞

(Ⅲ)旋轉不帶電黑洞

(Ⅳ)一般黑洞

(Ⅴ)雙星黑洞

 

問:為何黑洞照片是紅色的?

黑洞照片首次面世,很多人在激動興奮的同時又有些疑惑?說好的是黑洞,為啥照片是紅色的?其實,拍黑洞的望遠鏡收集到的不是日常的可見光,而是一種波長更長的亞毫米波,本身是沒有顏色的區別的。說白了,照片的紅色是後期處理的效果,你也可以理解為一種「照騙」了。

這就是史上首張黑洞照片

 

問:黑洞的照片為啥這樣模糊?

黑洞固然神秘,但它的照片和光學照片的清晰度問題一樣,根源在於解析率。儘管我們現在的亞毫米望遠鏡基線已經達到了1萬公里,但空間解析度剛達到黑洞視界面的尺寸,所以在科學家們觀測的有限區域內,就相當於只有有限的幾個像素。在真實的情況下,我們在照片中只能看到吸積盤上的幾個亮斑而已。

 

問:黑洞的闇影圖像代表了什麼?

黑洞照片展示了一個中心為黑色的明亮環狀結構,看上去有點像甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的「闇影」,明亮部分是繞黑洞高速旋轉的吸積盤。

廣義相對論預言,由於黑洞的存在,我們將會看到中心區域存在一個由於黑洞視界而形成的陰影,其周圍環繞一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環,由於黑洞的自旋及與觀測者視線方向的不同,光環的大小約為4.8-5.2倍史瓦西半徑(註:史瓦西半徑指沒有自旋的黑洞的事件視界半徑)。

 

問:此次拍攝的是哪個黑洞?

本次首先公佈的是星系M87的照片,別著急,銀河系中心的黑洞照片還在數據處理中。

從2017年4月5日開始,國際合作的天文計畫(Event Horizon Telescope,EHT)開始對兩個特殊天體進行觀測:距離地球25000光年,位於銀河系核心人馬座A,以及距離地球5300萬光年的M87室女座星雲。觀測的目標不是常規的天體,而是兩個疑似的超大質量黑洞。黑洞正前所未有的暴露在人類的視網膜中。

問:怎麼拍出解析度這麼高的照片?

答:全球望遠鏡組成陣列,聯合觀測,形成一個有效口徑等於地球直徑的大望遠鏡。這個虛擬的大望遠鏡叫做「事件視界望遠鏡」(EHT),由8台望遠鏡組成。分別是:南極望遠鏡(South Pole Telescope);位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);位於智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡(Atacama Pathfinder Experiment);墨西哥的大型毫米波望遠鏡(Large Millimeter Telescope);位於美國亞利桑那州的(Submillimeter Telescope);位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);位於夏威夷的次毫米波望遠鏡(Submillimeter Array);位於西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠鏡。它們在2017年4月對兩個黑洞目標進行了聯合觀測。

從2018年起,又有格陵蘭島望遠鏡、位於法國的IRAM NOEMA天文台和位於美國的基特峰國立天文台加入後續的研究和校準工作。

全球一共60多個研究機構參與了研究,其中也包括中國科學院下屬的上海天文台、雲南天文台等機構,以及華中科技大學、南京大學、中山大學、北京大學、中國科學院大學,還有台灣大學等各高校。這也是為什麼上海和台北兩地也在聯合舉辦新聞發佈會之中。

問:2017年拍的照片,為什麼現在才公佈?

答:黑洞照片「拍」起來難,「洗」出來也難。虛擬的大望遠鏡陣列並非直接拍出了黑洞的圖像,而是給出了許多數據,必須經歷複雜的電腦處理過程。其中還有些缺失或模糊的部分,需要科學家們拼圖。

此外,在2017年4月的聯合觀測以後,研究團隊還進行了一些數據收集和校準的工作。

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