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黑洞我們看見你了!——給黑洞“拍照”,解開宇宙形成之謎

望遠鏡嘗試觀測的其實是黑洞的“事件視界”

超大質(zhì)量黑洞的模擬圖

恒星可以在超大質(zhì)量的黑洞的猛烈“狂風(fēng)”中形成。此為模擬圖

《星際穿越》中黑洞的模型,光線竟會繞著走

□建平

黑洞,從目前我們已知的信息來看,它是存在于宇宙中的一種密度無限大、體積無限小的天體。據(jù)說,由于黑洞能產(chǎn)生極強的引力場,所以黑洞附近甚至連光都會被吸入,無法逃逸。然而4月5日前后,科學(xué)家宣稱,要給黑洞拍張“照片”。

我們知道,照片的形成正是利用了光的反射原理,既然任何光到了黑洞那里都不會再反射回來,那么,照片如何拍成?

原來,科學(xué)家們是在全球不同地區(qū)同時啟動了8個射電望遠鏡,組成了一個口徑相當于地球直徑的“事件視界望遠鏡”,瞄準了銀河系中心的超級黑洞“人馬座A*”,準備利用收集到的觀測數(shù)據(jù),嘗試拼出一張黑洞的“照片”,這將有助于人類發(fā)現(xiàn)恒星和星系演化的秘密。

●黑洞到底是個啥?

其實我們對“黑洞”并不陌生。在一些科幻片中,我們常常會看到一些場景:比如天空中突然出現(xiàn)一個無形的大洞口,將世間萬物都統(tǒng)統(tǒng)吸入,然后消失得無影無蹤;又或者,探索外太空的飛船突然失控,被吸入一個時間與空間都發(fā)生錯亂的地方……這些描述幾乎都是在形容“黑洞”的可怕與巨大。在2014年美國的一部科幻片《星際穿越》中,曾出現(xiàn)了一個堪稱震撼的黑洞的畫面,據(jù)悉,該畫面是在美國加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家基普·索恩帶領(lǐng)著許多位科學(xué)家一起,用數(shù)月時間繪制而成的一個黑洞模型圖,它被稱為“有史以來最精準的黑洞模型”。

為什么說這個模型是“最精準的”?是因為它描繪出的黑洞最接近我們的想象,它看上去正以接近光速旋轉(zhuǎn)著,同時將宇宙的物質(zhì)一點點地吸引過去。我們或許可以這樣理解,黑洞本來是一顆巨大的恒星,在最終燃燒結(jié)束時,并沒有完全地消失,而是像滿滿的一盆水通過一個極小的排水口全部排空,排到最后時,仍以一種看上去像是旋渦的方式存在,并留下一個“不可逃逸的奇點”——一個密度接近無限大的點——奇點也代表著我們目前完全未知的物理定律??茖W(xué)家相信,在黑洞的內(nèi)部,一切已知的物理定律可能都將失效。

事實上,至今也沒人真正觀察到黑洞的內(nèi)部世界。我們所能發(fā)現(xiàn)的,其實只是那些被黑洞吸引過去、卻又僥幸地從黑洞邊緣“逃脫”并繞了過去的光,它們構(gòu)建出一種空間形態(tài),最終在科學(xué)家們的電腦上顯示為一種復(fù)雜特性的圖譜。

但如今人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn),這些黑洞其實在宇宙中廣泛存在著。它們的質(zhì)量大多是太陽的幾十萬至數(shù)百億倍,幾乎在每個大星系、包括人類身處的銀河系中心,都存在至少一個這樣的黑洞。有些巨型黑洞甚至在宇宙極早期就已經(jīng)存在,但它們帶給整個宇宙乃至人類的影響,至今仍是未解之謎。

●為啥要給黑洞拍照?

對于天文學(xué)和物理學(xué)來說,準備給黑洞“拍照”的“事件視界望遠鏡”如果能順利完成任務(wù),將最終“確認黑洞存在的證據(jù)”,補充說明了愛因斯坦的廣義相對論,并有助于人類發(fā)現(xiàn)恒星和星系演化的秘密。

愛因斯坦于1916年發(fā)表的廣義相對論,用幾何語言描述的引力理論,一直代表著現(xiàn)代物理學(xué)中引力理論研究的最高水平。他稱,質(zhì)量越大的物體,產(chǎn)生的引力就越大。就像恒星和黑洞這樣的物體,它們能產(chǎn)生巨大的引力,導(dǎo)致光線彎曲、時空扭曲。甚至有可能,在離黑洞越近的地方,時間和空間也會越不一樣——相對來說,離得越近,時間會過得越慢——這是不是有點像我們古代傳說中提到的“天上一天,人間一年”的概念?

13億年前,當?shù)厍蜻€只有低等生命的存在時,遙遠外太空已有一顆質(zhì)量為29倍太陽質(zhì)量的黑洞,正在與另外一顆36倍太陽質(zhì)量的黑洞緩慢地靠近,它們相互繞轉(zhuǎn),最后碰撞并合在一起,由此“撥動宇宙的琴弦”——發(fā)出引力波。而人類則在2016年美國當?shù)貢r間的2月11日上午10點30分(北京時間2月11日23點30分),在美國的LIGO(激光干涉引力波觀測站)首次直接探測到了這一束引力波。人們相信,這就是在宇宙尺度上對愛因斯坦廣義相對論進行檢測與判斷的一個重要實驗。

LIGO這次對引力波信號波形的分析足足花了幾個月的時間,他們認為,根據(jù)廣義相對論的數(shù)學(xué)物理推導(dǎo),在兩個黑洞相互接近繞轉(zhuǎn)的過程中,會出現(xiàn)一個隨時間變化的四極矩,不斷朝外輻射引力波,而引力波的輻射又會把兩個黑洞之間的引力勢能降低,最終令兩個黑洞距離越來越近,接著產(chǎn)生碰撞并合在一起。這一過程會放出大量的引力波能量,引力波信號以光速傳播,最后便傳遞到了地球。他們還發(fā)現(xiàn),引力波是唯一可以在高維時空中傳遞的波,這點與電磁波完全不同,它的穿透能力可能比中微子更強,或許真能像科幻小說《三體》中描述的那樣,被人類用于星際通訊領(lǐng)域。

這一結(jié)果之所以讓人們?nèi)绱伺d奮,不僅因為它讓我們對黑洞的存在有了更多的了解,也讓我們對大尺度時空結(jié)構(gòu)信息有了更進一步的全面深入的了解。

●怎樣給黑洞“拍照”?

所謂給黑洞“拍照”,其實是利用了黑洞的“事件視界”原理?!笆录暯纭焙唵蝸碚f,就是在黑洞邊界存在光可以逃脫的一個邊界。既然有了光的存在,作為觀察者,就應(yīng)該是可以看見這個邊界以外的東西的?!笆录暯纭敝羞€應(yīng)該蘊含著巨大的能量,此處的量子效應(yīng)會產(chǎn)生強大的高溫粒子流并向外輻射,這就是所謂的“霍金輻射”。正是這些高溫狀態(tài)下的輻射粒子流,讓黑洞看起來可能就像是一個發(fā)光的陀螺。

但此次拍照的目標是一個位于銀河系的中心、被稱為“人馬座A*”的黑洞。該黑洞質(zhì)量是太陽質(zhì)量的400萬倍,距離地球2.6萬光年。其拍攝難度相當于身處于美國紐約,去辨認在德國大街上的一枚硬幣上的日期,又或者是從地球上給月球表面的一個葡萄柚拍照。用普通望遠鏡當然無法完成這個拍攝任務(wù),但科學(xué)家們使用的是一個虛擬望遠鏡——它依賴于來自全球各地的8個射電望遠鏡,這些望遠鏡分布在南極、夏威夷、美洲和歐洲,構(gòu)建起一個射電天線網(wǎng)絡(luò),將模擬望遠鏡的孔徑擴大到相當于地球直徑的尺寸。這些望遠鏡每天接收到的數(shù)據(jù)可能會超過2000TB,科學(xué)家們會把存有數(shù)據(jù)的硬盤打包運到位于德國和美國的兩個數(shù)據(jù)中心,利用超級計算機計算數(shù)個月,最終才能得到一張更高質(zhì)量和清晰度的黑洞“照片”。

美國國家科學(xué)基金會是其中部分望遠鏡的資助方,他們稱,從4月5日開始,這個虛擬望遠鏡將在10天內(nèi)嘗試觀測銀河系中心的超級黑洞“人馬座A*”,然后天文學(xué)家們會用數(shù)月時間來整理這10天里所獲得的數(shù)據(jù),最快應(yīng)該在2018年能夠發(fā)表第一張黑洞的“照片”?!斑@會是一項令人激動并具挑戰(zhàn)性的工作,將有助驗證一些最基本的物理學(xué)理論。”

●什么時候是最佳拍照時機?

黑洞在強大引力場作用下,周圍的氣體和塵埃不斷匯聚,終年都像裹在棉花球里一樣。但根據(jù)科學(xué)家們對黑洞一直以來的觀測,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一部分超大質(zhì)量黑洞并非一直悄無聲息。它們在不斷吞噬著物質(zhì),當聚集形成吸積盤并且產(chǎn)生強有力的噴流時,便會驟然放射出強烈的X射線,同時表現(xiàn)得異常明亮。這一類天體也被稱作“活動星系核”,觀測它們正是人類解開黑洞之謎的鑰匙。在它們處于活躍期給它們“拍照”,無疑是獲取信息的最佳時機。

中科院紫金山天文臺在2016年12月29日時曾通報,暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”觀測到代號為CTA 102的一個著名的活動星系核正經(jīng)歷新一輪活躍期,有明顯增強的伽馬射線爆發(fā)現(xiàn)象。該活動星系核于1963年被首次發(fā)現(xiàn),其黑洞質(zhì)量約為太陽的8.5億倍,與太陽系距離約為80億光年。

今年2月,俄羅斯的莫斯科國立大學(xué)下屬國家天文學(xué)研究所的科研人員又稱,他們觀測到最近幾年一個超大質(zhì)量黑洞的四周數(shù)次“發(fā)亮”。

英國《皇家天文學(xué)會月刊》上還曾報告說,研究人員在2010年至2016年期間借助美國航天局的“雨燕”天文衛(wèi)星和俄境內(nèi)的多個天文自動觀測站發(fā)現(xiàn),呈螺旋形的NGC2617星系的中心區(qū)域存在一個超大質(zhì)量黑洞,從2010年10月開始,它放射出的X射線的強度曲線在逐漸升高,在2013年和2016年時X射線強度數(shù)次出現(xiàn)爆發(fā)性高值,此后又迅速降低。

通過觀察這些活動星系核,科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn),超大質(zhì)量黑洞在吞噬太過靠近其中心的宇宙物質(zhì)時,會加熱周圍的氣體,還會以猛烈、密集的“狂風(fēng)”形式拋射出來一些物質(zhì)。

英國劍橋大學(xué)的羅伯托·麥歐利諾教授說:“這些觀測結(jié)果已明確顯示,恒星正在這些噴流的內(nèi)部形成。”那些光亮可能正是黑洞近旁的恒星在黑洞引力“撕扯”下崩裂并放出射線導(dǎo)致的。

顯然,目前我們的觀測也不過僅僅是接近了黑洞的洞口而已,至于黑洞里面究竟是什么情況?黑洞的另一端究竟連接著什么地方?一直旋轉(zhuǎn)著的黑洞究竟擁有多大的能量?更多的謎題還有待科學(xué)家們持續(xù)地觀測,才能尋找到解答的線索。

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