中新網(wǎng)上海4月10日電 (記者 孫自法)北京時(shí)間4月10日21點(diǎn)，全球六地(比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國(guó)上海和臺(tái)北、日本東京、美國(guó)華盛頓)將以英語(yǔ)、西班牙語(yǔ)、漢語(yǔ)和日語(yǔ)四種語(yǔ)言，通過(guò)協(xié)調(diào)召開(kāi)全球新聞發(fā)布會(huì)，事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)將宣布一項(xiàng)與超大質(zhì)量黑洞照片有關(guān)的重大成果。在上海，EHT項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院將在中科院上海天文臺(tái)共同發(fā)布這一重大成果。
黑洞是什么？為什么要給黑洞拍照？什么樣的望遠(yuǎn)鏡可以對(duì)黑洞成像？給黑洞拍照難在哪里？……在備受矚目的黑洞照片揭開(kāi)神秘面紗前夕，參與EHT項(xiàng)目的中科院上海天文臺(tái)向媒體提供了一系列黑洞相關(guān)科普知識(shí)——
1. 給黑洞拍照，是要拍一張?jiān)鯓诱掌?？天文學(xué)家期望拍一張?jiān)鯓诱掌?/strong>
廣義相對(duì)論預(yù)言，由于黑洞的存在，我們將會(huì)看到中心區(qū)域存在一個(gè)由于黑洞視界而形成的陰影(shadow)，其周?chē)h(huán)繞一個(gè)由吸積或噴流輻射造成的如新月?tīng)畹墓猸h(huán)，由于黑洞的自旋及與觀(guān)測(cè)者視線(xiàn)方向的不同，光環(huán)的大小約為4.8-5.2倍史瓦西半徑(注：史瓦西半徑指沒(méi)有自旋的黑洞的事件視界半徑)。
其中一種理論模型預(yù)言的銀心的黑洞陰影以及周?chē)h(huán)繞的新月?tīng)罟猸h(huán)。圖片來(lái)源：路如森/中科院上海天文臺(tái)
2. 為什么要給黑洞拍照？
對(duì)黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺(jué)”證據(jù)。黑洞具有強(qiáng)引力，因此給黑洞拍照，最重要的目的是在強(qiáng)引力場(chǎng)的極端環(huán)境下驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，并同時(shí)細(xì)致研究黑洞周?chē)奈镔|(zhì)吸積和噴流的形成及傳播。
3. 什么樣的黑洞適合拍照？
黑洞陰影和周?chē)h(huán)繞的新月般光環(huán)非常非常小，在拍照設(shè)備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞的照片，毫無(wú)疑問(wèn)要找到一個(gè)看起來(lái)角直徑足夠大的黑洞作為對(duì)象。
由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，這也就意味著質(zhì)量越大，其事件視界越大，因此近鄰的超大質(zhì)量黑洞是完美的黑洞成像候選體。位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A* 和近鄰射電星系M87的中心黑洞M87* 是兩個(gè)目前已知最優(yōu)的候選體。
銀河系中心黑洞的史瓦西半徑約為10微角秒，其黑洞陰影的角直徑大小相應(yīng)為47-50微角秒， 這相當(dāng)于一個(gè)蘋(píng)果在月球上的角直徑大小(月球的角直徑是30角分)。M87中心的超大質(zhì)量黑洞(M87*)的黑洞陰影看起來(lái)要比銀心的黑洞陰影略小，約為37-40微角秒。
HST拍攝的M87，圖片版權(quán)：NASA
4. 什么樣的望遠(yuǎn)鏡可以對(duì)黑洞成像？
要對(duì)黑洞成像，必須要保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠小，從而能保證看得到和看得清。滿(mǎn)足這些條件，最好的工具莫過(guò)于1967年出現(xiàn)的甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技術(shù)(值得一提的是，該VLBI技術(shù)也成功應(yīng)用于中國(guó)嫦娥探月工程的探測(cè)器的測(cè)定位)。假定在1毫米波長(zhǎng)觀(guān)測(cè)，一個(gè)長(zhǎng)度為1萬(wàn)千米的基線(xiàn)能獲得約21微角秒的分辨本領(lǐng)。
不過(guò)，大家可千萬(wàn)別以為，只要VLBI陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照。因?yàn)?，情況沒(méi)那么簡(jiǎn)單。如同觀(guān)看電視節(jié)目必須選對(duì)頻道一樣，對(duì)黑洞成像而言，能夠在合適的波段進(jìn)行VLBI觀(guān)測(cè)至關(guān)重要。觀(guān)測(cè)黑洞視界的最佳波段在1毫米附近。
5. 此次拍照使用的視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)是一臺(tái)什么樣的望遠(yuǎn)鏡？
為了捕獲第一張黑洞圖像，全球超過(guò)200名科學(xué)家達(dá)成了EHT這一重大國(guó)際合作計(jì)劃。EHT觀(guān)測(cè)所利用的技術(shù)就是毫米波VLBI，目前其工作波段在1.3mm，并且將有望擴(kuò)展到更短的0.8mm。
EHT合作者們?cè)?017年4月份到多個(gè)世界上最高、最偏僻的射電天文臺(tái)，以一種愛(ài)因斯坦永遠(yuǎn)也不會(huì)想到的方式去檢驗(yàn)廣義相對(duì)論。參與此次觀(guān)測(cè)的包括位于世界6個(gè)地點(diǎn)的8個(gè)臺(tái)站(Atacama Pathfinder Experiment, APEX; Atacama Large Millimeter/ submillimeter Array, ALMA; IRAM 30-meter Telescope; South Pole Telescope, SPT; James Clark Maxwell Telescope, JCMT; Large Millimeter Telescope, LMT; Submillimter Array, SMA; Submillimeter Telescope, SMT)。其中，JCMT目前由東亞天文臺(tái)負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)，是中國(guó)大陸及臺(tái)灣地區(qū)、韓國(guó)以及日本的共同合作項(xiàng)目。
2017年4月份參加EHT觀(guān)測(cè)的8個(gè)臺(tái)站，實(shí)線(xiàn)連接的為觀(guān)測(cè)M87的7個(gè)臺(tái)站，虛線(xiàn)連接的為觀(guān)測(cè)一個(gè)校準(zhǔn)源(3C279)的臺(tái)站。圖片來(lái)源：“First M87 Event Horizon Telescope Results I: The Shadow of the Supermassive Black Hole”。
6. 給黑洞拍照，難在哪里？
一是要選擇合適的拍照對(duì)象——近鄰的超大質(zhì)量黑洞是完美的黑洞成像候選體；二是要共同合作組成一個(gè)超級(jí)大望遠(yuǎn)鏡——視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)：三是必須在合適的觀(guān)測(cè)波段——毫米波；四是面對(duì)VLBI所記錄的龐大數(shù)據(jù)量，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)后期處理和分析，獲取最終的黑洞圖像。據(jù)介紹，2017年4月份的EHT觀(guān)測(cè)中每個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)率達(dá)到驚人的32Gbit/s， 8個(gè)臺(tái)站在5天觀(guān)測(cè)期間共記錄約3500TB數(shù)據(jù)。天文學(xué)家打比方說(shuō)，這么多數(shù)據(jù)如果是電影的話(huà)，至少要幾百年才能看完。
7. 黑洞是什么？
理論上，黑洞是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言存在的一種天體，它具有的超強(qiáng)引力使得光也無(wú)法逃脫它的勢(shì)力范圍，該勢(shì)力范圍稱(chēng)作黑洞的半徑或稱(chēng)作事件視界(event horizon)。
宇宙中，天文學(xué)家們根據(jù)質(zhì)量將宇宙中的黑洞分成三類(lèi)：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞(幾十倍至上百倍太陽(yáng)質(zhì)量)、超大質(zhì)量黑洞(幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上)和中等質(zhì)量黑洞(介于前兩者之間)。
致密天體根據(jù)質(zhì)量的分類(lèi)，圖片來(lái)源：NASA
8.為什么要研究黑洞？
黑洞就在宇宙中，黑洞自身有一堆讓人著迷的秘密，等著人類(lèi)去研究。第一，在人類(lèi)居住的銀河系中中心就有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量大約400多萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量；第二，這顆超大質(zhì)量黑洞會(huì)影響人類(lèi)的生活嗎？第三，銀河系中除了這個(gè)超大質(zhì)量黑洞外，還有很多恒星級(jí)黑洞，它們和人類(lèi)有關(guān)系嗎？第四，黑洞和它所在的星系之間究竟有什么關(guān)系，這也是天文學(xué)家非常關(guān)心的領(lǐng)域。
遙遠(yuǎn)宇宙中擁有巨大黑洞的類(lèi)星體示意圖(圖片制作人：李兆聿。背景圖片來(lái)源于NASA/JPL-Caltech和Misti Mountain Observatory)
9. 如何確認(rèn)黑洞的存在？真的有黑洞嗎？
黑洞的名字，乍一聽(tīng)，黑的洞，那是不是表明沒(méi)法看見(jiàn)；如果沒(méi)法看見(jiàn)，那怎么就知道它存在呢？在這次拍照前，天文學(xué)家們是通過(guò)各種間接的證據(jù)來(lái)表明黑洞的存在，主要有三類(lèi)代表性證據(jù)。
第一，恒星、氣體的運(yùn)動(dòng)透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強(qiáng)引力，對(duì)周?chē)暮阈?、氣體會(huì)產(chǎn)生影響，于是我們可以通過(guò)觀(guān)測(cè)這種影響來(lái)確認(rèn)黑洞的存在。
第二，根據(jù)黑洞吸積物質(zhì)(類(lèi)似于“吃東西”)發(fā)出的光來(lái)判斷黑洞的存在。
第三，通過(guò)看到黑洞成長(zhǎng)的過(guò)程“看”見(jiàn)黑洞。
還有很多類(lèi)似的證據(jù)，無(wú)不說(shuō)明了黑洞真實(shí)存在。但這些還是間接的證據(jù)，人類(lèi)還想直接“看”到黑洞，于是，通過(guò)全球科學(xué)家的廣泛合作和持續(xù)努力，終于直接拍到即將問(wèn)世的首張黑洞照片。
銀心附近恒星的運(yùn)動(dòng)截圖，圖片來(lái)源：Keck/UCLA Galactic Center Group
中國(guó)科學(xué)家在視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)項(xiàng)目中有哪些參與？視界望遠(yuǎn)鏡未來(lái)還會(huì)有怎樣的成果值得期待？當(dāng)然，如果你想知道更多(EHT)項(xiàng)目情況，更多了解人類(lèi)首張黑洞照片詳情，就請(qǐng)耐心等待并關(guān)注幾小時(shí)后舉行的全球同步發(fā)布會(huì)。(完)