有生之年:人类第一张黑洞照片!

作者|高天可

审核|郑启烛

编辑|席宇博

如果要评选出2019年最有科学价值和最受期待的照片,那么非下面这张照片莫属,它就是人类拍到的第一张黑洞照片!

人类首张黑洞照片(图片来源于ESO)

2019年4月10日北京时间21点,事件视界望远镜(以下简称EHT)合作组织在全球六地同步发布人类首张黑洞的真实影像。此次发布的是M87星系(不是M78星云!不是M78星云!不是M78星云!重要的事情说三遍)中心的黑洞图像,距离地球约5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。图像显示出吸积盘发出的光和黑洞的阴影,它们的许多特征与广义相对论的预言完全一致,进一步验证了广义相对论,这又一次证明了,爱因斯坦是正确的!
爱因斯坦:“我又对了!”(图片来源于网络)
让我们把视线聚集在这张黑洞照片上,它为什么会长成这样呢?首先,黑洞是不发光的,但是它周围环绕着许多物质,构成盘状,叫吸积盘。这些物质都高速运动着,互相碰撞摩擦,形成了光,因此我们才能拍摄到。而中间黑色的部分就是黑洞本身,引力强大到光都无法逃逸,所以是一片黑暗。
黑洞艺术图(图片来源于网络)
另外值得一提的是黑洞照片“上侧暗、下侧亮”的特征。原因在于吸积盘运动的多普勒效应——朝向我们运动的区域会变得更亮,远离我们视线的区域则变得暗。为什么我们直至今日才能拍摄到黑洞照片呢?因为之前困扰于精度不够,M87中心黑洞距离我们很远,其角直径很小,要看到它需要很高的分辨率。在相同观测波段下,望远镜口径越大则分辨率越高。在射电波段下要看到M87中心的黑洞,需要的望远镜口径要有地球那么大。听起来很难实现,但是方法总比困难多,什么事情都难不倒聪明的地球人。上个世纪60年代剑桥大学卡文迪许实验室的天文学家马丁•赖尔利用基线干涉的原理,发明了综合孔径射电望远镜,大大提高了射电望远镜的分辨率。其基本原理是:用相隔两地的两架射电望远镜同时接收同一天体的无线电波,两束波进行干涉,其等效分辨率最高可以等同于一架口径相当于两地之间距离的单口径射电望远镜。赖尔因为此项发明获得1974年诺贝尔物理学奖。EHT所用的原理称为甚长基线干涉测量技术(VLBI),与综合孔径射电望远镜的原理一样,只是望远镜之间分布的更加遥远。
英国天文学家马丁•赖尔爵士(图像来源于https://www.nobelprize.org/)
事实上,EHT动用了全球各地的8座射电望远镜(阵列),利用VLBI形成一个口径相当于地球直径的虚拟望远镜,从而达到观测银河系中心黑洞(又称为人马座A*)和5500万光年外M87星系中心黑洞的目的。
EHT所使用的8部射电望远镜(阵列)(图像来源于网络) 
EHT所用到的射电望远镜连线(图片来源于网络)
这次观测使用的是毫米波段(波长1~10毫米的电磁波段),和我们肉眼所见的可见光波段有着很大的差别,所以科学家们将观测获得的数据进行了复杂的后期处理,最后得到了开篇的那张“伪色图”。
电磁波谱(图片来源于网络)
吃瓜网友会问,拍出黑洞照片到底给我们带来了什么呢?可能对于大部分人来说,它带来了又一批表情包,和一系列的事件……当然不止这些。最直接的一点是再次验证了黑洞的存在,虽然之前我们已经通过黑洞对附近天体的引力影响间接证实了黑洞的存在,并且通过引力波听到了黑洞合并的声音,但是俗话说:“耳闻不如目见”,照片是最直接的证明,也意味着探测方式的又一个进步。同时,科学家对拍摄数据进行分析,也进一步验证了爱因斯坦广义相对论的正确性,还有一点就是,科学家可以直接通过黑洞阴影的尺寸来对黑洞质量进行测量,这在之前是非常复杂的一个过程。有关人类首张黑洞照片的更多疑问,欢迎大家在评论区留言,小星会为你一一解答噢~

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