会员登录
  • 没有账号? 去注册
会员注册
  • 已有账号? 去登录

新闻动态

【活动新闻】给黑洞拍照的科学家,未来还想给它拍电影
发布时间:2024-03-20    1243   

遥远的银河系中心,有一个代表着黑洞的致密射电源,它距离我们大约27000光年,从我们人类第一次认识到它的存在,并将其命名为人马座A*(Sgr A*),到给它拍了第一张“见真容”的照片,过去了将近五十年。这五十年,人类突破可见光的束缚,不断刷新望远镜的极限,一步步地“看见”黑洞。正如中国科技大学教授蔡一夫所说,黑洞,这种神充满神秘色彩的这种天体,不仅像漩涡一样能够去吸引一切接近它的物体,也深深地吸引着科学家们,人们对它保有无尽的好奇和探索的热情。

 

图片


中国科学院上海天文台的沈志强台长,就是这样一位对黑洞执着探索的人。在墨子沙龙龙年举办的第一场线下活动——《洞见黑洞》上,沈志强台长带领大家跨越时空,来了一场关于黑洞的奇妙之旅。

图片


早在18世纪,就有科学家预言天空中存在着一种看不见的特殊天体——暗星;到了1915年,爱因斯坦的“广义相对论”为黑洞的存在提供了理论基础。1963年类星体被发现,但科学家并不能给出其背后的物理学。1967年,美国著名物理学家约翰·惠勒引用了“黑洞”一词,生动描述了这种密度极大、引力极强,连光线都跑不出来的神秘天体。我们居住的银河系有黑洞吗?带着这样的好奇,人类踏上了黑洞之旅。


不发光的黑洞如何“看见”

众所周知,黑洞由于其致密性,光都无法从中逃逸,而且黑洞距离我们十分遥远,可见光无法穿透漫长旅程的气体和尘埃。如何给黑洞拍照,对人类是巨大的挑战。

 

1933年诞生的射电天文学为黑洞和其它天体的观测带来新的生机。它像是人类新的“眼睛”,突破了可见光的束缚,人类由此开启了利用可见光之外的波段洞悉宇宙的历史。

 

虽然黑洞本身并不发光,但是其周围物质被黑洞引力拉扯形成的吸积盘是可以被观测的,科学家称其为“黑洞的阴影”。相比可见光波段的望远镜,射电望远镜可以穿透尘埃和气体,捕捉到射电波段的信号。上个世纪60年代出现了甚长基线干涉测量技术(VLBI),打开了人类用射电的技术去获得高分辨观测的大门。

 

甚长基线干涉测量技术,就是利用在地球上不同位置上的无线电或者射电望远镜,接收来自同一方向的信号,同时,把时间也非常精准的记录下来,然后把两个或者多个信号进行分析、处理、合成,这样的干涉技术等效于一个超大的望远镜——其口径大小为这两个天线距离。望远镜的角分辨率正比于观测波长,反比于望远镜口径,对于最佳的两个黑洞目标——Sgr A*和M87 *来说,在1.3mm波长下,需要的望远镜口径大约为地球直径那么大。毫无疑问,这是一项需要全球科学家通力合作的工程。
 

图片


事件视界望远镜(EHT)国际合作就是在这样的需求下应运而生的,创建EHT是一项艰巨的挑战,需要升级和连接遍布世界各地的多台射电望远镜,形成一个口径如地球大小的虚拟望远镜。EHT实际上是由国际上可以工作在230GHz频率(1.3毫米波长)的亚毫米波射电望远镜所组成的VLBI阵列,目前包括分布在全球的6个地方的8个射电望远镜(阵),角分辨率达20微角秒,上海天文台作为国内参与EHT合作的牵头单位,组织协调了国内学者参与EHT国际合作。有了EHT,黑洞视界成像观测成为可能。

 

两张照片凝聚了全球的智慧
 

2019年4月10日, EHT发布了人类首张黑洞照片——距离地球5500万光年的M87*中央黑洞(M87*)的照片。这些照片来自EHT于2017年4月的观测结果,《天体物理学杂志通信》(ApJ Letters)以特刊的形式发表了这一重大结果,全球同步发布照片,引发了广泛关注。2020年基础物理学突破奖因此被授予了参与EHT合作的347位研究人员,其中,我国大陆学者共有16人。

图片


而下一个目标——银心黑洞Sgr A*则是更艰巨的挑战。之所以为Sgr A*拍照更困难,一是因为在地球和银河系中心之间存在大量的气体和尘埃,这部分气体和尘埃对来自银河系中心的电磁波辐射,会产生散射效应,可能会对银河系中心图像产生“模糊和放大”的效果;另一个更大的挑战是,银河系中心黑洞Sgr A*的快速“时变”。

沈志强比喻道:“这就好比,如果你给你的从宠物狗拍照,如果它乖乖停在那儿,中间又没有遮挡,你一定能轻松捕捉,但如果狗狗隔着模糊的玻璃窗,本身又在快速运动,那就很考验摄影师的技术。”

2022年5月12日晚上9点,人类终于揭晓“拍摄”到的第二张黑洞照片——那个“善变”的、位于银河系中心的超大质量黑洞人马座A*的照片也被“冲洗”出来了。上海天文台与全球多地同时召开新闻发布会,展示了位于银河系中心的超大质量黑洞的首张照片。该照片提供了银河系中心黑洞真实存在的视觉证据。

图片


自此,人们知道了Sgr A*更细节的信息——照片的环状结构角直径为51.8±2.3 微角秒,Sgr A*是一个质量约为400万倍太阳质量,距离我们为8kpc的自旋黑洞。
 

值得一提的是,在对M87*黑洞成像的流量校准和银心黑洞成像散射效应校准这两大难题的解决过程中,上海65米天马望远镜,作为东亚VLBI网主要成员参与的2017年3-5月间密集的(17次)毫米波(7毫米、13毫米)VLBI协同观测,做出了贡献。
 

探索,让人类伟大

Sgr A*和M87 *的照片不是EHT的终点,近年来,中国和全球其它国家的科学家们均取得了很多重要的成果:首次拍到了包括黑洞、吸积盘和喷流的M87*黑洞全景照,首次观测到黑洞自转引起的喷流进动 ,给出了M87*和Sgr A*黑洞的偏振图像,发现二者具有非常相似的磁场结构。

 

图片


EHT仍在不断前进,下一代事件视界望远镜(ngEHT)将进一步提升目前EHT的阵列性能,建设新的亚毫米波天线台站,增大数据记录带宽,实现双波段同时观测。

 

在沈志强台长的构想里,为了更加洞悉黑洞的细节,(亚)毫米VLBI 是下一代黑洞成像的必由之路。更多的频率,可以给黑洞拍“多彩”的照片;为了研究黑洞自转、黑洞提取能量等动态变化过程,我们需要给黑洞拍动画或“电影”;除了Sgr A*和M87 *,我们还要研究更远、更小的黑洞,所以需要分辨率更高的望远镜。

 

当然,在沈志强台长心里,中国也需要在青藏高原上建设中国的第一个亚毫米波的试点网点。

 

图片


1990年2月14日,距地球64亿千米的旅行者1号回望地球,拍下的地球照片只是一个暗淡的蓝点,卡尔·萨根的那句著名的“暗淡蓝点,我们的家园,我们的一切!”常常令沈志强心生感慨:“地球只是阳光里的一粒微尘,宇宙是如此浩瀚和伟大,而人类与之连接的,是对宇宙永无止境的探索。”


图片