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黑洞究竟長什麼樣?第一張照片已經「在路上」


國家空間科學中心多年來,事件視界望遠鏡項目組一直不斷努力,試圖獲取黑洞事件視界的第一幅望遠鏡照片。作為宇宙中最神秘的天體之一,黑洞一直激發著...

- 2019年2月01日12時58分
- 科學文摘 / 國家空間科學中心

國家空間科學中心

多年來,事件視界望遠鏡項目組一直不斷努力,試圖獲取黑洞事件視界的第一幅望遠鏡照片。作為宇宙中最神秘的天體之一,黑洞一直激發著公眾的想像力。不過,我們從未見過黑洞的真容。黑洞之所以不可見是因為它們擁有異乎尋常的引力,一旦穿過所謂的「不可返回點」,包括光線在內的任何物質都無法逃脫。

天體物理學家讓-皮埃爾•盧米涅筆下的黑洞

2019年天文學研究將迎來一個高光時刻。多年來,事件視界望遠鏡項目組一直不斷努力,希望借這架望遠鏡首次拍攝黑洞的事件視界。作為宇宙內最為神秘的天體之一,黑洞一直激發著公眾的想像力,但我們一直無法看到黑洞的廬山真面目。


黑洞之所以不可見是因為它們擁有異乎尋常的引力,一旦穿過一個特定的點,任何物質都無法逃脫,包括允許我們直接探測黑洞的電磁輻射。(X射線、紅外線和無線電波都屬於電磁輻射。)這個不可返回點被稱之為「事件視界」,是一個你永遠都不想置身其中的可怕所在。不過,事件視界也是科學家讓黑洞可視化的關鍵。

《星際穿越》中的黑洞「卡岡都亞」

我們或許無法看到黑洞的真容,但我們仍有機會拍攝事件視界的照片。不久後,事件視界望遠鏡的觀測結果便要對外公布,希望科學家能夠得償所願。1978年,天體物理學家讓-皮埃爾·盧米涅就給出了黑洞事件視界的第一幅圖像。當然,這不是一張真正的照片。利用自己的數學知識和相關技術以及60年代的一台IBM

7040穿孔卡片計算機,盧米涅首次對觀察者可能看到的黑洞景象進行電腦模擬。

盧米涅在接受ScienceAlert網站採訪時表示:「當時,這還是一個非常怪異的課題,絕大多數天文學家並不相信黑洞的存在。我希望探尋黑洞的奇異物理學特徵,同時建議具體機制,幫助我們獲取間接信號以揭示它們的存在。」

科學家利用CG技術模擬的「卡岡都亞」


利用電腦模擬產生的數據,盧米涅用鋼筆和印度墨水在底片上描繪黑洞,整個過程就像是一台人體印表機。這幅模糊的圖像展示了觀察者靠得足夠近時看到的一個扁平盤內物質墜入黑洞的景象。不過,這個物質盤看不上並不扁平,因為黑洞的強大引力會彎曲周圍的光線。

在2018年發表於預印本平台arXiv的論文中,盧米涅指出:「黑洞附近光線被引力場彎曲的幅度極大,以至於『暴露』出物質盤的後部。光線的彎曲產生一幅次級圖像,允許我們看到吸積盤的另一側,即從觀察者的角度看到黑洞的另一面。」

藝術概念圖,磁場環繞黑洞

盧米涅是第一個,但並不是唯一一個對黑洞的可能長相充滿好奇的人。在他之後,很多人都希望對這種神秘天體進行可視化,甚至將他們的成果搬上大銀幕。2014年,克里斯多福·諾蘭執導的科幻大片《星際穿越》上映。這部影片對黑洞的描述在科學上具有很高的準確性,也因此獲得廣泛讚譽。

《星際穿越》在很大程度上立基於盧米涅幾十年前的研究,拍攝過程中還諮詢了加州理工學院的理論物理學家基普·索恩。最終,諾蘭選擇了一個簡化版黑洞,不會讓觀眾感到很困惑,同時又能在銀幕上呈現出引人注目的景象。

黑洞模擬圖

《星際穿越》中的黑洞「卡岡都亞」給觀眾留下深刻印象,但根據盧米涅和索恩的研究,真正的黑洞並非影片呈現的那樣。引力場產生的主圖和副圖是正確的,但與盧米涅的作品不同,「卡岡都亞」吸積盤的亮度比較均勻。盧米涅在論文中指出:「視光度的明顯不對稱是黑洞的主要信號。黑洞是唯一一種能夠讓吸積盤內部區域的旋轉速度接近光速並產生強烈都卜勒效應的天體。」

圍繞《星際穿越》中的科學現象,盧米涅撰寫了一篇15頁的論文。索恩更是創作了一部著作,深入闡述這一主題。你可能發現,所有這些版本的黑洞看起來與另一類型的黑洞影像截然不同,尤其是2016年雷射干涉引力波天文台(LIGO)發現的黑洞合併。


黑洞模擬圖

LIGO的發現立基於法國國家科學研究中心和國際天文學聯合會天體物理學家艾倫·里亞澤羅的研究。2016年,他首次對這種黑洞進行模擬。里亞澤羅的模擬圖像之所以截然不同是因為展示了一個靜止的黑洞,一個沒有吸積盤的黑洞。

里亞澤羅模擬的黑洞沒有被氣體和塵埃雲環繞,巨大的引力扭曲後面的空間。如果如此近距離地觀察這個黑洞,我們會被黑洞的引力俘獲。這也就是為什麼在他的模擬影像中,黑洞似乎穿過恆星場。在兩個黑洞同時存在的情況下,每個黑洞的後面都會出現另一個黑洞的香蕉形次級影像。

黑洞藝術概念圖

事件視界望遠鏡一直將目光聚焦銀河系中央的超大質量黑洞——半人馬座A*。我們不知道將會看到什麼,也許只會返回一些模糊的像素。如果是這樣,將會有更多望遠鏡加入這個項目,幫助科學家再次嘗試。黑洞有吸積盤,事件視界望遠鏡捕獲的黑洞影像可能與盧米涅的作品類似。

通過合作,科學家將進一步了解輻射偏振、磁場結構和黑洞的相對論性噴流。對於黑洞周圍的空間結構,事件視界望遠鏡已經發現了一些線索。這個項目最令人興奮的地方是什麼?估計很多人會贊同盧米涅的想法。他說:「當然是吸積盤的照片!我們已經迫不及待!」


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