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人类史上第一张超大质量黑洞成像

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发表于 2019-4-12 23:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 joeng4-楊暘 于 2019-4-13 11:32 编辑

人类史上第一张超大质量黑洞成像

  经历多年的努力,天文物理学界2019年4月10日发布重大发现:人类史上第一张超大质量黑洞的影像!这是由事件视界望远镜(Event Horizo​​n Telescope,EHT)于2017年4月观测到的活跃星系M87中心的超大质量黑洞影像,其中影像中间暗影的部分,就是超大质量黑洞所在之处!

20190410-M87_EHT.jpg

  事件视界望远镜(EHT)系由8座散落全球各地的电波望远镜阵列组成,形成与地球一样大的虚拟阵列望远镜,其中台湾“中研院”支援3座(SMA、ALMA、JCMT)。主要目标为观测黑洞的边界(事件视界,event horizo​​n)的成像。EHT解析度高达20微角秒,相当于在巴黎咖啡馆远距阅读一份在纽约的报纸。

  此次EHT观测到的黑洞,不同于以往模拟影像,为人类史上首张超大质量黑洞成像。这个超大质量黑洞位于M87星系中心,与地球相距5,500万光年,质量约为太阳的65亿倍。依理论模拟结果,一般黑洞阴影部分的大小,大约会是其事件视界的2.5倍大。M87星系中心超大质量黑洞的阴影,估算相当于300AU左右。此外,从影像中南北向亮度不对称的现象,与理论模拟结果相互比较后,这些研究学者确认黑洞周围的气体以非常快的速度运动中,且黑洞相对于地球是以顺时钟方向旋转,才会让比较亮的部分位在偏南的方向。因此这个观测证实了M87星系中心的确有个旋转中的超大质量黑洞。

  爱因斯坦广义相对论曾预测黑洞阴影,但过去从未有人见过。此次EHT也派员前往世界最高、最边境的电波望远镜站点,再度检验人类对引力的理解。也是对广义相对论最终的科学验证。

  EHT的合作计划共有来自世界各地200多位研究人员参与。台湾“中研院”天文学家长期投入对黑洞的研究,参与EHT的观测工作已经历数年的时间。台湾“中研院”除了参与8座中的3座观测站,最新在北极建造的「格陵兰望远镜」 已经在2018年加入EHT的观测。目前观测资料正在处理当中。我们预期由于格陵兰望远镜的加入,EHT 的解析能力将最多可以提高到10倍。

★事件视界望远镜(EHT)是什么?
  EHT系由8座散落全球各地的电波望远镜阵列组成,形成与地球一样大的虚拟阵列望远镜,其中有3座(SMA、ALMA、JCMT)是由台湾“中研院”支援。主要目标为成像黑洞的边界(事件视界)。解析度高达20微角秒,相当于在巴黎咖啡馆远距阅读一份在纽约的报纸。

★EHT包含哪八座望远镜?
  #ALMA 阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列望远镜
  #APEX 阿塔卡玛探路者实验
  #IRAM 30米望远镜
  #JCMT 詹姆士克拉克麦克斯威尔望远镜
  #LMT 大型毫米波望远镜
  #SMA 次毫米波阵列望远镜
  #ARO 次毫米波望远镜
  #SPT 南极望远镜

★黑洞这么黑,怎么拍?
  的确,黑洞是极度压缩的全暗物体,无法直接被拍摄,因此我们拍到的并非传统摄影影像,而是黑洞阴影的成像。成像借由8座望远镜的特长基线干涉技术观测,收集波长1.3毫米的电波讯号,每座望远镜每日产生350TB数据,再送至高度特制化超级电脑计算处理。

★黑洞在哪里?
  此次成像的黑洞位于M87星系中心,与地球相距5,500万光年,质量为太阳的65亿倍。

★从EHT观察中可以学到什么?
  许多天文观测已有充分间接证据证明黑洞存在,但目前为止,从未直接观察到距离黑洞非常近的地方,即接近事件视界之处,EHT可以填补我们经验知识中这部分的空白。

★与爱因斯坦的关系?
  今年适逢日全食实验印证广义相对论满100周年,爱因斯坦广义相对论曾预测黑洞阴影,但过去从未有人见过。此次EHT也派员前往世界最高、最边境的电波望远镜站点,再度检验人类对引力的理解。也是对广义相对论最终的科学验证。

★为什么研究黑洞很重要?
  目前还不了解如何创建普遍而单一的物理理论,可解释黑洞物理学。此外,黑洞周围的电浆物理学也还有许多细节未能完全理解。因此,除了解释广义相对论和量子物理在黑洞的直接接触外,EHT的观测将帮助我们更好地了解黑洞周围的热气体及其产生的辐射的发光电浆的性质和行为。

★台湾(中研院)的贡献与下一步
  EHT的合作计划共有来自世界各地200多位研究人员参与。台湾“中研院”天文学家长期投入对黑洞的研究,参与EHT的观测工作已经历数年的时间。台湾“中研院”除了参与8座中的3座观测站,我们最新在北极建造的「格陵兰望远镜」 已经在2018加入EHT的观测。目前观测资料正在处理当中。我们预期由于格陵兰望远镜的加入,EHT的解析能力将最多可以提高到10倍。

以下为黑洞的一些常识补充介绍:

★什么是黑洞?
  简单的说:黑洞不是洞,而是质量很大的天体,但挤在范围很小的空间内,让这个天体的密度极大,引力场极强,使得在黑洞的事件视界(event horizo​​n)范围内,也就是黑洞引力可及的势力范围内的物质都会被吸往黑洞,即使连宇宙速度最快的光也无法逃脱,因而称为黑洞。
  由于以目前的科技,无法直接侦测到黑洞发出的光和电磁波,故而没办法证实它们的存在和性质,所以目前已知的黑洞应该都称为「黑洞候选者」。

★如何侦测黑洞的存在?
  由于连光都无法逃脱黑洞引力场,没有光和电磁波能从黑洞发射出来而被我们侦测到,所以目前仅能藉由间接的方式侦测黑洞的存在:
  
1黑洞周边吸积盘内的物质因快速运动,剧烈摩擦下,使该处温度极高而发出强烈的紫外射线和X射线,所以反过来可以由这些强烈辐射得知此处有个与一般恒星迥异的天体,以此间接方式来「发现」黑洞。
  
2再从周边恒星、星云等天体或物质绕其公转的极快的运动速度,可推测中间天体的质量大小和精确位置。如果推测出在极小空间范围内有极大质量,意味着这里的密度极高,与黑洞性质类似,就有可能是「黑洞候选者」。

★黑洞的种类与可能形成途径?
  黑洞形成过程,目前推测为:
  
1恒星型黑洞:质量相当于太阳数倍到数十倍、甚至上百倍的大质量恒星,演化到生命末期发生超新星爆炸后,外层大气被炸开,而残留的核心因引力向内塌缩而形成恒星型黑洞。
  
2中型黑洞:质量介在恒星型和超大质量黑洞之间,约数百至数万倍太阳质量的黑洞,这类黑洞已知数量非常稀少,对其形成原因尚不清楚。有可能是许多恒星型黑洞合并之后的结果,也有可能是宇宙早期质量比较小的矮星系遗留的核心部分。
  
3超大质量黑洞:质量相当于太阳的数百万倍至上亿倍、甚至上百亿倍,这种黑洞可能是星系合并成长过程中,从中型黑洞长大的,另还有是不断吞噬其吸积盘物质以及周边的天体而成长。目前已知的星系(包含我们自己的银河系),绝大部分在其中心部位都有超大质量黑洞的存在,透过超大质量黑洞的强力引力拉住星系中的恒星、气体与尘埃等,维持星系结构不致散开。我们银河系中心的超大质量黑洞称为「人马座A*」,质量约为400万倍太阳质量,事件视界范围仅约0.29AU(约相当于4400万公里)而已,也有研究认为只有0.16AU(约相当于2400万公里)。

★观测黑洞有什么困难?
  
1因为不发出光或电磁波,无法直接观察。
  
2因为黑洞所占空间范围很小,距离又很远,所以必须使用解析度非常高的望远镜才能进行观察。
  
3天文学家将全球各地的电波望远镜串连之后,形成一个口径跟地球一般大的望远镜,使解析度提高许多。但要让所有望远镜同步非常困难,因此需使用原子钟和GPS进行校正,才能达到非常准确的程度。

(编译/台北天文馆张桂兰)

  本次参与对黑洞观测数据进行分析合成的机构超过60个,其中来自中国大陆的8个机构参与其中:
  中国科学院天文大科学研究中心
  中国科学院高能物理研究所粒子天体物理重点实验室
  中国科学院星系宇宙学重点实验室
  中国科学院天体结构与演化重点实验室
  中科院射电天文重点实验室
  中国科学院大学天文与空间科学学院
  中国科学院上海天文台
  中国科学院云南天文台

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