首张黑洞照片亮相 爱因斯坦百年猜想说对了!

2019-4-11 10:06:00  来源:湖北日报   我有话说 

  北京时间4月10日21时,事件视界望远镜(Event Horizon Tele-scope;简称EHT)项目和中国科天空彩票与我院在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿举行新闻发布会,公布人类获得的首张黑洞照片(如图)。

首张黑洞照片亮相 爱因斯坦百年猜想说对了!

  神秘天体黑洞终于被人类“看到”了。这张在全球多地同步公布的“大片”,证实了神秘天体黑洞的存在,也使得爱因斯坦的百年猜想终得检验。

  照片“主角”是室女座超巨椭圆星系M87中心的超大质量黑洞,其质量是太阳的65亿倍,距离地球大约5500万光年。照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构,看上去有点像甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“阴影”,明亮部分则是绕黑洞高速旋转的吸积盘。

  为何要给黑洞拍照?如何获得的这张照片?中国科天空彩票与我家在其中贡献了怎样的力量?湖北日报全媒记者第一时间采访了华中科技大天空彩票与我物理天空彩票与我院教授吴庆文,他是中国科天空彩票与我家团队成员之一,参与了历时两年的黑洞部分数据和理论分析工作。

  爱因斯坦的百年猜想

  终得检验

  黑洞是人们熟悉而又陌生的物体,它存在于大量文天空彩票与我作品和影视剧中,近百年来,科天空彩票与我家们一直努力搜寻它的踪影。

  从爱因斯坦的广义相对论率先预言黑洞的存在,到惠勒提出黑洞概念,再到霍金提出“黑洞是时空的扭曲者”……科天空彩票与我家们日益相信,宇宙中存在许多大小不一的黑洞,甚至在银河系的中心就有一个超大黑洞。

  1964年美国科天空彩票与我家发现的“天鹅座X-1”被称为第一个黑洞候选体,2016年引力波的发现是恒星级黑洞存在的有力证据,但人们一直没有直接观测到它的图像。

  由全球多个国家和地区的科研人员组成的EHT项目,利用分布在世界各地的射电望远镜,组成一台巨大的虚拟望远镜,其口径便相当于地球直径。而将全球望远镜观测到的数据进行汇总处理,人类相当于得到了一张关于黑洞的“正面全身照”。

  这个结果意味着,从此黑洞不再是“星际穿越”等科幻电影里的虚构和想象——它有了真实的模样。“这是人类首次通过照片的形式直接证明黑洞的存在。”中国科天空彩票与我院国家天文台研究员苟利军在发布会上这样评价黑洞照片的“划时代意义”。

  首张黑洞照片由全世界横跨几大洲8台毫米波望远镜(或阵列)组成ETH进行联网观测而得。“观测结果与理论预言非常一致,这证实在黑洞这样的极端条件下,广义相对论仍然成立。”中国科天空彩票与我院上海天文台台长沈志强说,先辈科天空彩票与我家为我们这个世界搭建的理论模型,再次经受住考验。

  拍照不易,洗照片更难

  黑洞如此遥远,寻找它如同从地球观察月球上的一个乒乓球,需要的望远镜口径超乎想象,灵敏度也极为精确。

  吴庆文教授介绍,2000年,荷兰天文天空彩票与我家范科计算了银河系中心超大质量黑洞图像,预言几年后的射电望远镜干涉阵可能直接观测到这个大黑洞。过去十几年间,全世界横跨几大洲的8台毫米波望远镜(或阵列)逐渐建成并投入观测,这些单台望远镜分辨率并不高,但联网后可组成一个超级虚拟望远镜,对同一个天体进行联合观测,分辨率达到惊人的20个微角秒。也就是说,它几乎可以分辨38万公里外月球上的一个乒乓球大小。

  2017年4月5日到11日之间,位于南极、智利、墨西哥、美国夏威夷、美国亚利桑那州、西班牙的8台毫米波望远镜(或阵列)组成的“超级望远镜”同时对M87星系中心黑洞进行了4次非常成功的联合观测。

  中国科天空彩票与我家团队由中科院上海天文台、云南天文台、中科院高能所、北京大天空彩票与我、华中科技大天空彩票与我、南京大天空彩票与我等单位的10余名成员组成,他们参与运行的望远镜JCMT是视界望远镜阵列之一,同时还参与了部分数据和理论分析工作。

  观测结束后,经过近两年的数据处理,首张黑洞照片才真正呈现。为何历时这么久?吴庆文教授解释,由于甚长基线干涉阵数据处理较为复杂,而且涉及站点很多,每晚的数据量达2PB(1PB=1000TB=1000000GB),这和欧洲大型对撞机一年产生的数据差不多。为了保证准确性,观测数据用三种完全独立的流程以及多个独立小组进行处理,处理过程非常复杂,且要不同独立小组结果几乎相同才会向外发布,因此非常耗时。他感叹,“拍照不易,洗照片更难。”

  空间引力波计划或成为更强大的黑洞捕手

  吴庆文教授介绍,黑洞就是一台超级发动机,不仅吞噬物质,还向宇宙空间以接近光速抛射物质。此次黑洞项目研究主要分为观测、数据处理、理论分析等工作,全球有200多人参与,他本人和研究生冯建超博士主要进行理论分析。通过几年的系列研究,他们对黑洞吞噬物质过程、黑洞自旋等重要信息做了较好限定,提出这次视界望远镜观测的黑洞图像应该是来自黑洞吞噬的物质,而非相对论性喷流。此外,还发现这个巨型黑洞很有可能是高速自转的。“这次拍摄的黑洞照片,较好支持了我们的研究结果。”

  此次超级望远镜4次抓拍黑洞,未来,空间引力波计划或成为更强大的黑洞捕手。

  吴庆文教授分析,目前发现最高红移的类星体为7.54,其黑洞质量约为109个太阳质量,即大约在宇宙形成后7亿年(宇宙年龄的5%)时间内,就已形成如此巨大的黑洞。年幼的宇宙如何养育出这样一个大胖墩?星系形成与演化理论认为,巨大的黑洞可能是靠黑洞合并长大(即‘黑’吃‘黑’),若如此,宇宙早期应该存在大量中等质量黑洞合并过程,这些黑洞合并产生的引力波,正好在目前计划中的空间引力波计划探测波段内,如中国的天琴计划和欧洲的LISA计划等。

  据了解,天琴计划是指在2030年-2035年,在10万公里高度的地球轨道上,部署三颗绕地球运转的卫星,组成臂长17万公里的等边三角形,形成空间引力波探测器,可以探测到宇宙诞生初期第一代恒星或气体云塌缩形成的双大黑洞合并产生的引力波,这将有助于人类理解宇宙早期种子黑洞、黑洞的增长历史以及星系演化等重大物理天空彩票与我问题。

  此外,一个大黑洞俘获星系中心的一个致密天体(如恒星级黑洞、中子星、白矮星等)产生的引力波,也在天琴等空间引力波探测范围内。

  因此,天琴等空间引力波计划将成为下一个20年探测宇宙黑洞的利器,特别是可能会搜寻到大量的中等质量黑洞,可能对绿化黑洞沙漠起到关键作用。同时还会在检验修改引力理论、利用黑洞研究宇宙天空彩票与我等方面发挥极其重要的作用。

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