黑洞是怎么形成的?

2021-04-06 13:10人已围观

和宇宙万物一样,恒星也会衰老死亡。当一些大质量恒星的核聚变反应燃料耗尽时,其核心会急剧坍缩,所有物质迅速向一个点坍缩,最终坍缩成黄豆大小的奇点,形成强大的力场漩涡,扭曲周围的时空,成为黑洞。

大量的天文观测数据已经证实,在浩瀚的宇宙中,有无数黑洞神秘地隐藏在各个星系中。

但是人类从来没有直接“见过”黑洞,不知道它的真实面貌。

2017年4月5日至4月14日,来自全球30多家研究机构的科学家发起了一项雄心勃勃的庞大观测计划。他们将与分布在世界不同地区的八个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,希望用它们捕捉黑洞图像。

最后,科学家们成功地捕捉到了黑洞的第一张“照片”。

2019年4月10日北京时间21: 00,这张照片在美国华盛顿、上海和台北、智利、比利时布鲁塞尔、丹麦灵璧和日本东京同时发布。传说中的黑洞终于揭开了它的神秘面纱。

第一张黑洞照片是如何拍摄的?记者为你揭示了整个过程。

理解黑洞

理论上黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的天体。它的超重力使光无法逃离它的影响范围,这个范围被称为黑洞半径或事件视界。

那么,黑洞是如何形成的呢?

和宇宙万物一样,恒星也会衰老死亡。当一些大质量恒星的核聚变反应燃料耗尽时,其核心会急剧坍缩,所有物质迅速向一个点坍缩,最终坍缩成黄豆大小的奇点,形成强大的力场漩涡,扭曲周围的时空,成为黑洞。

在宇宙中,天文学家根据质量将宇宙中的黑洞分为三类:恒星质量黑洞(太阳质量的几十倍-几百倍)、超大质量黑洞(太阳质量的几百万倍)和中等质量黑洞(中间)。

根据理论计算,银河系应该有几千万个黑洞。但是由于黑洞本身并不发射和反射电磁波,无论是仪器还是肉眼都无法直接观察到。

既然看不到“看得见”,怎么知道它的存在?天文学家主要依靠各种间接证据。

中国科学院上海天文台的研究员沈志强说:“代表性证据主要有三种。首先,恒星和气体的运动揭示了黑洞的痕迹。黑洞引力很强,会对周围的恒星和气体产生影响,所以我们可以通过观察这种影响来确认黑洞的存在。二是根据黑洞的吸积物质,即进食时发出的光来判断黑洞的存在。第三种是通过看黑洞成长来‘看’黑洞。”

到目前为止,通过间接观测,科学家已经在银河系中发现并证实了20多个恒星级黑洞,但可能还有数千万个恒星级黑洞候选者。

沈志强说:“宇宙中每个星系的中心都有一个超大质量黑洞。我们居住的银河系中心有一个,它的质量大约是太阳的400万倍。此外,银河系中还有许多恒星黑洞。”

这些神秘的黑洞与宇宙的诞生和演化有什么关系.html' target='_blank'>有什么关系?它和它的星系有什么关系?和我们人类有什么关系,会影响我们的生活吗?……

为了更准确、更清晰地回答这些问题,科学家们希望直接“看到”黑洞。

准备“相机”

广义相对论预言,虽然黑洞本身不发光,但由于黑洞的存在,周围时空弯曲,气体被吸引下落。当气体落到黑洞时,引力能转化为光和热,于是气体被加热到数十亿度。黑洞就像是沉浸在一个类似发光气体的明亮区域,事件视界看起来像一个阴影,被吸积或喷流辐射产生的新月形光晕所包围。

爱因斯坦的广义相对论已经预言了这个“影子”的存在,以及它的大小和形状。

科学家希望这次能直接捕捉到这个黑洞的“影子”图像。

中国科学院上海天文台的研究员卢汝森说:“黑洞阴影的成像将提供黑洞存在的直接‘视觉’证据。”

卢汝森说:“这必须保证望远镜足够灵敏,能分辨的细节足够小,保证能看得见、看得清。”

但是要满足以上所有条件,望远镜的孔径需要和地球一样大。

但是目前地球上单个望远镜的最大孔径只有500米。

那么我该怎么办呢?

聪明的天文学家想出了一个好办法:——把地球上现有的一些望远镜“组合”起来,形成一个孔径和地球一样大的“虚拟”望远镜,达到了前所未有的灵敏度和分辨率。

因此,全世界200多名科学家达成了一项重要的国际合作计划,即事件视觉望远镜(EHT),并决定使用甚长基线干涉测量法。

沈志强说:“就是利用位于不同地点的多个望远镜同时进行联合观测,最后将相关分析后的数据进行组合。这项技术在无线电波段相当成熟。”

最后,科学家们从世界各地挑选了八架亚毫米射电望远镜,包括南极望远镜。

卢鲁森说:“大部分都是单望远镜,比如夏威夷州的JCMT和南极望远镜。还有望远镜阵列。比如ALMA望远镜就是由70多个小望远镜组成的。”

选定目标

在建造大型虚拟望远镜的同时,科学家们也在寻找合适的拍摄目标。

黑洞的轮廓和它周围的新月形光环非常非常小。在相机设备能力有限的情况下,要想拍摄黑洞,必须找到一个足够大的角直径的黑洞作为目标。

科学家们选择了一个圆后,决定以附近的两个黑洞为主要目标:一个是位于银河系中心人马座方向的Sgr A*,另一个是位于射电星系M87中心的M87*。

沈志强说:“因为黑洞的视界与其质量成正比,这也意味着质量越大,视界越大。我们选的两个黑洞质量超级大,它们的事件视界看起来是地球上最大的,可以说是目前最好的成像候选。”

虽然选择的两个黑洞是最好的成像候选,但是要把它们拍清楚是极其困难的。

Sgr A*黑洞质量约为400万个太阳,对应的可视界面大小约为2400万公里,相当于17个太阳的大小。然而,地球距离Sgr A * 25000光年。

沈志强说:“这意味着它巨大的视觉界面在我们看来只有针尖那么小,就像我们站在地球上看月亮表面的一个橘子一样。”

M87中心黑洞质量更大,达到60亿个太阳。

虽然M87中心黑洞与地球的距离比Sgr A*与地球的距离更远,但它的事件视界可能与Sgr A*差不多大,甚至对科学家来说略大。

调试摄像机

要想看清两个黑洞事件视界的细节,事件视界望远镜的空间分辨率必须足够高。

有多高?

卢鲁森说:“它比哈勃望远镜的分辨率高1000多倍。”

但不要以为只要虚拟望远镜阵列的分辨率足够高,就能成功拍摄黑洞。

实际情况没那么简单!就像看电视节目一定要选对频道一样,对于黑洞成像来说,在合适的波段进行观察是非常重要的。

以前的研究表明,观察黑洞事件视界“阴影”的最佳波段是1毫米左右。

卢汝森说:“因为这个波段的气体辐射最亮,无线电波也可以从银河系中心传播到地球而不被阻挡。”

在这种情况下,望远镜的分辨率取决于望远镜之间的距离,而不是单个望远镜孔径的大小。

为了提高空间分辨率,更清晰地看到更小的区域,科学家们这次在望远镜阵列中增加了位于智利和南极洲的望远镜进行观察。

沈志强说:“这个设置是为了确保所有八架望远镜都能看到这两个黑洞,从而达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率。”

正式拍摄

八架望远镜,从北面的西班牙到南面的南极,将向选定的目标撒下一张大网,检索海量数据,为我们勾勒出黑洞的轮廓。

科学家的观察窗很短,一年只有10天左右。2017年,在4月5日到4月14日之间。

除了观测时间的限制,拍摄对天气条件的要求也是极其苛刻的。

“因为大气中的水对这个观测波段的影响很大,水会影响无线电波的强度,也就是说降水会干扰观测。”沈泰说:“要想顺利观测接口望远镜,需要望远镜所在的所有天气条件都非常好。”

根据要求,计划入选的八架望远镜都位于高空,降雨量很少,所有晴天的概率都很大。

此外,为了成功成像,所有望远镜必须在时间上完全同步。

北京时间2017年4月4日,事件视界望远镜开始拍摄,将注意力转向宇宙。最后一次观察结束于东部时间4月11日。

在观测过程中,每个射电望远镜收集并记录来自目标黑洞附近的无线电信号,然后对这些数据进行积分,得到事件视界图像。

沈志强说:“为了确保信号的稳定性,事件观测望远镜使用原子钟来确保望远镜收集和记录的信号在时间上是同步的。”

冲洗照片

拍一张黑洞的照片并不容易,开发它需要很长时间。

射电望远镜不能直接“看到”黑洞,但它们会收集大量关于黑洞的数据,并利用这些数据向科学家描述黑洞。

观测结束后,各站采集的数据将被收集到两个数据中心(美国马萨诸塞州的Haystack天文台和德国波恩的Max Planck射电研究所)。在那里,超级计算机回放硬盘记录的数据,并在补偿到达不同望远镜的无线电波之间的时间差后,整合所有数据并进行校准分析,从而生成关于黑洞的高分辨率图像。

然后,经过两年的“洗涤”,2019年4月10日,人类历史上第一张黑洞照片终于出来了。

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