超弦 2019-04-12 優(yōu)質(zhì)科學領(lǐng)域創(chuàng)作者
4月10日，地球人第一次看到了一個黑洞的真實圖像，把我們所有的想象變成了具體的現(xiàn)實。
這張黑洞照首秀來自室女座的M87星系黑洞，距離地球5500萬光年，質(zhì)量約為太陽的65億倍。這張圖像描繪了一個橙色調(diào)的不對稱環(huán)，環(huán)繞著一個黑洞的陰影，該黑洞吞噬了5500萬光年M87星系中心的物質(zhì)。
但這幅難以捉摸的圖像引發(fā)了九大問題，而科學家給了我們答案，趕緊來看看！
我們在圖中看到了什么？
其實黑洞本身發(fā)出的輻射太少而無法被探測到，但正如愛因斯坦所預(yù)測的，黑洞的輪廓和它的視界，即光線無法逃逸的邊界是可以被看到。
事實證明，這是真的。中間的暗圈是黑洞的“影子”，它由位于黑洞周圍視界的發(fā)光氣體所構(gòu)成。這是因為黑洞的極端引力使氣體過熱，導(dǎo)致它發(fā)出這些光芒。但是視界內(nèi)的氣體并不是真正的橙色，而是參與該項目的天文學家選擇將無線電波信號涂成橙色來描述輻射的亮度。黃色代表最強烈的排放，而紅色代表較低的排放強度，黑色代表很少或沒有排放。
為什么我們以前沒有見過黑洞的圖像?
我們知道黑洞通常是在一顆大恒星死亡并坍縮時形成的，即使是超大質(zhì)量的黑洞，其實也不是很大。例如在我們銀河系中心的黑洞，被認為是質(zhì)量是太陽的400萬倍左右，但是如果形容它的大小的話，就像在地球上觀察月球上的DVD一樣。而黑洞是密度極高的物體，任何東西，甚至光，都無法逃逸。當它們吃附近的東西時，它們的體型就會變大。而超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬倍或數(shù)十億倍，被認為位于幾乎所有星系的中心，包括我們自己的星系--銀河系。黑洞通常被能掩蓋黑洞周圍光線的物質(zhì)所覆蓋，因而我們以前沒有見過黑洞的圖像。
在這張照片之前，我們是如何知道黑洞存在的?
愛因斯坦的相對論首次預(yù)言，當一顆大質(zhì)量恒星死亡時，它會留下一個致密的核心。根據(jù)美國宇航局的說法，如果這個核心的質(zhì)量是太陽的三倍以上，他的方程式顯示，重力產(chǎn)生了一個致密引力點，即黑洞。
但是直到4月10日前，科學家們還不能拍攝或直接觀察黑洞。相反，他們依賴于間接證據(jù)，比如星體行為或來自附近其他物體的信號。例如，黑洞會吞噬離它太近的恒星。這個過程加熱了恒星，使它們發(fā)射出望遠鏡可以探測到的x射線信號。有時黑洞也會噴出巨大的帶電粒子爆發(fā)，這也是我們的儀器可以探測到的。
科學家有時也研究物體的運動，如果它們看起來被奇怪地拉著做奇怪的運動，那么很有可能有一個黑洞在周圍。
為什么圖像模糊？
以目前的技術(shù)，這是可以達到的最高分辨率。視界望遠鏡的分辨率大約是20微弧秒。根據(jù)紐約業(yè)余天文學家協(xié)會(Journal of the Amateur Association of New York)的數(shù)據(jù)，如果你從地球上觀察月球上的一個句子，而這個分辨率可以看到相當于在月球上留下的傳單上的那個句號。
活動視界望遠鏡副主席杰弗里·克魯說，如果你拍一張包含數(shù)百萬像素的普通照片，把它放大幾千倍，再把它弄平，你會看到與黑洞圖像差不多的分辨率，而這個分辨率是目前的極限。
科學家是如何捕捉到這張照片的?
全球超過200名天文學家使用8架地面射電望遠鏡進行了測量，這些射電望遠鏡統(tǒng)稱為事件視界望遠鏡(EHT)。根據(jù)美國國家科學基金會(National Science Foundation)的一份聲明，這些望遠鏡通常位于夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內(nèi)華達山脈、阿塔卡馬沙漠和南極洲等高海拔地區(qū)。
2017年4月，天文學家們同步了所有的望遠鏡，同時測量從黑洞視界發(fā)出的無線電波。該聲明稱，同步這些望遠鏡就像制作一個地球大小的望遠鏡，分辨率高達20微弧秒，足以讓一個紐約人從巴黎的一家咖啡館里讀到手中的報紙。(相比之下，他們拍攝的黑洞直徑約為42微弧秒)。
然后他們把所有這些原始的測量數(shù)據(jù)，分析并組合成你所看到的圖像。
為什么科學家們是利用測量無線電波而不是可見光來捕捉圖像?
科學家解釋因為通過無線電波可以獲得比可見光更好的分辨率。到未知目前，無線電波提供了目前所有技術(shù)中最高的角度分辨率。角分辨率指的是望遠鏡能夠很好地分辨兩個分離的物體。
這是真的照片嗎?
很顯然，不，這不是傳統(tǒng)意義上的照片。因為用無線電波拍攝照片是很困難的。該任務(wù)的科學家測量了黑洞視界發(fā)出的無線電波，然后用計算機處理這些信息，得到了我們所看到的圖像。
這張照片是否再次證明了愛因斯坦的相對論?
這模糊的第一眼就足以證實，愛因斯坦的相對論即使在這個巨大的深淵的邊界上也行得通，在這個極端的地方，一些人認為他的方程式會崩潰。是的。愛因斯坦的相對論預(yù)言黑洞是存在的，它們有視界。該方程還預(yù)測，視界應(yīng)該是圓的，大小應(yīng)該與黑洞的質(zhì)量直接相關(guān)。
為什么他們沒有捕捉到我們星系黑洞的圖像，而是選擇了一個遙遠的星系呢？
M87是研究人員測量到的第一個黑洞，所以他們首先對其進行了分析。但他補充說，與位于銀河系中心的射手座相比，它也更容易成像。這是因為它離我們太遠了，在一個晚上的測量過程中，它不會“移動”太多。而銀河系離我們更近，所以它在天空中并不是固定的。無論如何，銀河系的黑洞照遲早也會出現(xiàn)！
