安德里亚盖兹(又一张黑洞照片来了!为何一张“照片”能冲洗五年)

黑洞照片又来了。

5月12日晚,事件视界望远镜(EHT)合作组织正式发布了银河系中心黑洞人马座A*(Sgr A*)的首张照片。

值得注意的是,3年前,人类历史上第一张黑洞照片也是由这个组织发布的。


黑洞照片不能光靠“拍”

虽然霍金早就公开谈论“黑洞不黑”,但国际上普遍认为,黑洞本身并不发光。黑洞不发光,那到底要拍到什么才能证明黑洞存在呢?

广义相对论认为,一个小而重的物体能隐藏在事件视界(event horizon)内,只要在视界范围内,它的引力就强大到连光都无法逃脱。这个物体,就是黑洞。

这也意味着,虽然黑洞本身不发光,那些被它“禁锢”住的物质的行动轨迹却有可能暴露它的位置。科学家希望能借助其中的发光星体来找到黑洞。但这个寻找过程却不能只靠拍摄。

以这次的银河系中心黑洞为例,其实照片是EHT团队将从Sgr A*的2017年观测数据中提取出的不同照片平均而成,足足用了5年。而同样基于2017年观测数据的M87中心黑洞,成片则为2年。

一个公开数据是:银河系的黑洞大约只有400万倍太阳质量,而M87中心黑洞达到了65亿倍太阳质量。

也就是说,1个M87中心黑洞=1650×银心黑洞。


这个体量下,基础数据要靠EHT拍摄得到。EHT当然不是一个望远镜,它是由分布在全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成的。一般来说,望远镜并不能观察到黑洞的全部结构。所以,科学家需要通过相关算法,填补缺失的部分,才能构建出完整的黑洞图像。

至于为何银心黑洞比M87中心黑洞小这么多,制作周期却翻倍,直接原因就是:位于“家门口”的银心黑洞拍摄难度更大。

通俗地说,银心黑洞的隐蔽性比较强,相比之下,M87黑洞简直算得上“一览无余”。另外,M87黑洞几天里发生的变化,到银心黑洞这里,可能几分钟就完成了。

这样一来,不管从数据量,还是分析难度上来说,银心黑洞都要复杂得多。以至于科学家不得不专门研究新的复杂工具来辅助。

黑洞和黑洞

2019年4月M87中心黑洞照片曝光之前,人们心目中的黑洞可能还是电影里的样子,比如《星际穿越》。

看起来跟如今曝光的“甜甜圈”形象相差甚远。至少,《星际穿越》的黑洞,像是一支箭射穿靶心。


电影《星际穿越》中的黑洞

安德里亚

但根据科学家的说法,这种差别,可能是由于观察点不同造成的。创造EHT图像的小组领导人、麻省理工海斯塔克天文台博士后研究员Kazunori Akiyama表示,我们不是从黑洞顶点,而是从靠近极点的地方来观察M87星系黑洞。当观测点不同时,可能会出现一些遮挡,从而造成不同的视觉效果。

就像M87中心黑洞和银心黑洞,它们来自不同星系,黑洞质量也极其不同。但当观察点被聚焦在黑洞边缘时,它们看起来竟然是相似的。

不论如何,对黑洞阴影的成像能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。这也是全球科学家共同的期待。

2020年,诺贝尔物理学奖颁发给了三位科学家。

英国牛津大学数学物理学家罗杰·彭罗斯,用数学方法证明了爱因斯坦的广义相对论可以预测黑洞的形成。

德国科学家赖因哈德·根泽尔和美国科学家安德里亚·盖兹,则从天文观测的角度证实了黑洞的存在。而他们恰恰也长期对银河系中心进行观测。

从某种程度上来说,此次发布的银心黑洞照片,是一张期待已久的关于银河系中心的大质量天体的真面目肖像。EHT团队认为,这为了解超大质量黑洞如何与周围环境相互作用提供了全新视角。

有意思的是,在黑洞研究上,霍金曾经提出过“霍金辐射”,他曾在一些演讲中说如果他的理论被验证,他可能能得个诺贝尔奖

而在2020年诺贝尔物理学奖公布后,有学者认为,霍金也许和彭罗斯有得一比,但在对黑洞理论贡献的深度和广度上,却比不上彭罗斯。

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