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人类首张黑洞照片发布 距地球5500万光年
    全世界200多位科学家合作完成的一项重大天文学成果——人类首张黑洞照片,4月10日在全球多地同步发布。事件视界望远镜(EHT)宣布,已成功获得超大黑洞的第一个直接视觉证据,该黑洞图像揭示室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞,距地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。
人类成功获得首张黑洞照片

人类史上首张黑洞照片 新华社发(事件视界望远镜项目组供图)

    全世界200多位科学家合作完成的一项重大天文学成果——人类首张黑洞照片,北京时间4月10日晚在全球多地同步发布。事件视界望远镜(EHT)宣布,已成功获得超大黑洞的第一个直接视觉证据,该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞,它距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。

    “这是一项由全球200多位科研人员组成的团队完成的非凡的科研成果。”EHT项目负责人、哈佛大学教授谢泼德·多尔曼(Sheperd S. Doeleman)说,“我们已经取得了上一代人认为不可能做到的事情。技术的突破、世界上最好的射电天文台之间的合作、创新的算法都汇聚到一起,打开了一个关于黑洞和事件视界的全新窗口。”

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爱因斯坦广义相对论得到验证

银心附近恒星的运动截图。(来源:中新网)

    这是人类第一次真真切切地“看”到黑洞。这一图像的捕获意味着,百年之前的爱因斯坦广义相对论得到了首次试验验证。

    一百多年前,爱因斯坦提出广义相对论,将引力视为时空扭曲的效应。他的方程预言,一个小而重的物体能隐藏在事件视界(event horizon)之内,在视界内,其引力强大到连光都无法逃脱,这个物体就是黑洞。几乎所有的星系中心都存在黑洞,在那里它们可以成长到太阳质量的数百万或者数十亿倍。

    广义相对论预言,因为黑洞的存在,周围时空弯曲,气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中,引力能转化为光和热,因此气体被加热至数十亿度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,事件视界看起来就像阴影,阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。鉴于黑洞的自旋及与观测者视线方向的不同,光环的大小约为4.8-5.2倍史瓦西半径(史瓦西半径,指没有自旋的黑洞的事件视界半径。)

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什么是黑洞?

(来源:科技日报)

    黑洞是一种被极度压缩的宇宙天体,几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,其周围形成一个强大的引力场,在一定范围之内,连光线都无法逃脱。这个边界称作“事件视界”。这种天体的存在以极端的方式影响着周围的环境,让时空弯曲,并将周围的气体吸进来。在此过程中,气体的引力能转化成热能,气体的温度变得很高,会发出强烈的辐射。

  黑洞怎么形成的?像宇宙万物一样,恒星也会衰老死亡。一些大质量恒星在核聚变反应燃料耗尽时,内核会急剧塌缩,所有物质快速向着一个点坍缩,最终坍缩成一颗黄豆大小的奇点,并形成一个强大的力场漩涡,扭曲周围时空,成为黑洞。

  天文学家根据质量将宇宙中的黑洞分成了三类:恒星级质量黑洞(几十倍至上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。

    根据理论推算,银河系中光恒星量级的黑洞就有上千万个。天文学界认为,许多星系中央都有超大质量黑洞。例如代号M87的超巨椭圆星系中心黑洞的质量被认为约为太阳的65亿倍。

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被拍黑洞如何选择?

HST拍摄的M87。图片版权:NASA(来源:中新网)

    黑洞阴影和周围环绕的新月般光环非常小。在拍照设备能力有限的情况下,要想拍摄到黑洞照片,必须找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为目标。

  科学家们甄选之后,决定将近邻的两个黑洞作为主要目标:一个是位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*,另一个则是位于射电星系M87的中心黑洞M87*。此次照片“主角”正是M87中心的超大质量黑洞。

  中国科学院上海天文台研究员沈志强说:“由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比,这也意味着质量越大,其事件视界越大。我们选定的这两个黑洞质量都超级大,它们的事件视界在地球上看起来也是最大的,可以说是目前最优的成像候选体。”

黑洞照片怎样拍?

    2017年4月份参加EHT观测的8个台站,实线连接的为观测M87的7个台站,虚线连接的为观测一个校准源(3C279)的台站。图片来源:“First M87 Event Horizon Telescope Results I: The Shadow of the Supermassive Black Hole”。(来源:中新网)

    黑洞虽然总处于“隐身”状态,但在它周围存在的物质会释放出电磁波,这些信息逃不过射电望远镜的“眼睛”。

    为了捕获第一张黑洞图像,过去的十年多时间里,麻省理工学院的天文学家们联合了其他机构的同行们,让全球八个天文台同时对银河系中心的黑洞Sgr A*和M87星系中的黑洞M87*展开亚毫米波段观测,利用甚长基线干涉测量技术(VLBI)将这8台望远镜构建成一个口径等同于地球直径的超级“虚拟”望远镜,这些望远镜统称为“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope,EHT)。

  由于EHT此次观测的波段在1.3毫米,容易受地球大气的水汽影响,因此这些亚毫米波望远镜分布在高海拔地区,包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州的山脉、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠以及南极点。

  参与此次观测的包括位于世界六个地点的八个台站。其中由于位置的限制,位于南极的SPT望远镜无法观测到M87*。所以参与观测M87*的望远镜实际上是七台。

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“冲洗”照片耗时两年

    拍照难,“洗照片”更不容易。射电望远镜不能直接“看到”黑洞,但它们将收集大量关于黑洞的数据信息,用数据向科学家们描述出黑洞的样子。在观测结束之后,各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心(分别位于美国麻省的Haystack天文台和德国波恩的马普射电所)。在那里,超级计算机通过回放硬盘记录的数据,在补偿无线电波抵达不同望远镜的时间差后将所有数据集成并进行校准分析,从而产生一个关于黑洞高分辨率影像。
    此后,经过长达两年的“冲洗”,今年4月10日,人类历史上首张黑洞照片终于问世。

    相关链接:

             黑洞照片为啥“冲洗”这么久?  

             《星际穿越》科学顾问:黑洞照片为什么“糊”  

给黑洞拍照有何意义?

致密天体根据质量的分类。图片来源:NASA(来源:中新网)

    天文学家表示,事件视界望远镜(EHT)成功获得超大黑洞的第一个直接视觉证据,不仅首次试验验证了爱因斯坦的广义相对论,也开启了直接观测黑洞的序幕,期待未来有更多科学发现和研究成果。

   本次“拍照”还可为一些基础物理研究提供数据或解释天文现象成因,如喷流的形成,科学家们希望能够解释黑洞自旋是否为喷流提供了能量源。而通过观察黑洞视界面的大小和形状,或许能够首次在超大质量黑洞周围的极端空间验证爱因斯坦引力理论。甚至,有人希望此次“拍照”能找到不同于黑洞的未知物体,用来验证其它恒星塌缩理论。

    相关链接:

             黑洞照片开启直接观测黑洞的序幕 天文学家期待更多发现 

             狂欢之后的深思 首张黑洞图像没有回答的三大问题

中国成为重要参与者

4月10日,在中国科学院上海天文台举行的新闻发布会。(来源:中新网)

  此次合作会集了全球超过200名研究人员共同努力。在“事件视界望远镜”项目中,我国科学家全程参与了给黑洞拍照这项国际合作,在早期推动这一项国际合作、望远镜观测时间申请、夏威夷望远镜观测运行、后期数据处理和理论分析等方面均作出了贡献。中国科学院天文大科学研究中心(国家天文台、紫金山天文台和上海天文台)参与了位于美国夏威夷的东亚JCMT望远镜对黑洞的观测,多名中国学者是此次黑洞照片相关论文的作者。

    从4月10日发表在《天体物理学杂志通信》的论文作者署名看,中国大陆一共有16位科学家参与了这项研究工作,其中上海本地就有8位研究员参加,其他人员来自云南天文台、中科院高能物理所、南京大学、北京大学、中国科学技术大学、华中科技大学。此外,中国台北也有部分科学家参与了这项研究工作。

    相关链接:

             拍黑洞,全球科研机构这样合作   

             人类成功获得首张黑洞照片 中国科学家参与研究 

黑洞照片引发全民狂欢

微信网友把黑洞画成了一个甜甜圈。(来源:参考消息网)

黑洞照片酷似蜂窝煤。(来源:参考消息网)

    人类首张黑洞照片公布,引发民众狂欢。4月10日,黑洞成为“顶级流量”,全世界似乎都在“蹭热度”。

    首张黑洞照片在公布之后迅速成为推特网站上最受追捧的照片。有些网友为人类首次拍到黑洞照片而欢欣鼓舞,但更多网友还对照片本身更感兴趣,围绕着这张黑洞照片各抒己见。微博上,黑洞P图大赛进行得如火如荼;把黑洞当成“锦鲤”转发许愿时,很多人也是真情实感。

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             全球热议人类首张黑洞照片  

             新华国际时评:当全世界同望星空,黑洞也“发光”  

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    (资料来源:新华社、人民日报、中新社、光明日报、科技日报等)

编辑策划:虞鹰