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科学家眼中的黑洞照片发布:“爱因斯坦还是对的!”

来源:中国青年报2019-04-11 10:23

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  科学家眼中的“历史性时刻”——

  “爱因斯坦还是对的!”

  作家茨威格曾在其著作《人类群星闪耀》里写道:倘若出现一个具有历史意义的时刻,这一刻必将影响数十年乃至数百年。

  北京时间2019年4月10日晚21时07分或许就是这样一个时刻,至少对中国科学院上海天文台台长沈志强来说是这样。

  这一刻,他所参与捕获的人类首张黑洞照片面向全球同步发布。

  100年之前,爱因斯坦广义相对论得到了首次试验验证,如今这一理论则再一次获得“强有力的支持”。

  “爱因斯坦真是个天才,他还是对的!”

  在黑洞照片的上海发布现场,沈志强不断发出这样的感慨。他告诉中国青年报·中青在线记者,“全球200多位科研人员花了几年时间,最终得到这样一个颠覆性的观测和让人信服的图像——这是值得铭记的时刻!”

  既然没法看见,如何知道黑洞存在?

  所谓黑洞,是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。按照中科院上海天文台研究员路如森的说法,黑洞具有超强引力,即便是光,也无法逃脱它的势力范围。该势力范围被称作黑洞的半径或被称作“事件视界”。

  “等一下,真的有黑洞吗?你是如何确认黑洞存在的?”

  这样的问题,路如森曾不止一次被问及:“黑洞的名字,乍一听,黑的洞,那是不是就表明‘没法看见’;如果没法看见,那怎么就知道它存在呢?”

  事实上,在这次“拍照”前,天文学家们已经通过多种间接的证据来证明黑洞的存在。路如森向记者列举了其中主要的三类代表性证据。

  第一,恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力,对周围的恒星、气体会产生影响,于是科学家可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。

  第二,黑洞在“吃东西”即吸积物质时,会发出一定的光,科学家据此来判断黑洞的存在。

  第三,通过一定设备“看到”黑洞成长的过程,来推导黑洞的存在。

  “还有很多类似的证据,无不说明了黑洞真实存在。但这还是间接的,而我们一直想要做到的,就是直接‘看’到黑洞!”路如森说。

  按照100多年前爱因斯坦提出的广义相对论,人类似乎永远不能看到“黑洞本身”,相应的,黑洞的“事件视界”,就是科学家能看到的“最接近黑洞本身的图像”。

  之所以要“看到”黑洞、给黑洞“拍照”,一个主要目的就是“看看爱因斯坦究竟是不是对的”。

  沈志强说,对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞是具有强引力的,因此给黑洞“拍照”,最重要的目的是在强引力场的极端环境下,验证爱因斯坦的广义相对论,并同时细致研究黑洞周围的物质吸积和喷流的形成及传播。

  至于黑洞和人类现实生活有何关系?科学家并不能给出现成的答案。

  不过沈志强表示,天文学家一些和此相关的“提问”,或许能在一定程度上回答这个问题:人类居住的银河系中心就有一个超大质量黑洞,它的质量大约是太阳质量的400多万倍。那么,这颗超大质量黑洞会不会影响人类的生活?银河系中除了这个超大质量黑洞外,还有很多恒星级黑洞,它们和人类、地球又有什么关系?“如果我们关心人类和地球,就应该关心黑洞。”

  要能在巴黎的咖啡馆“看到”纽约的报纸

  不过,要想真正“看到”黑洞并不容易。按照沈志强的说法,要对黑洞成像,必须要保证望远镜足够灵敏,能分辨的细节足够小,从而能保证“看得到”和“看得清”。

  科学界公认最好的工具莫过于1967年出现的甚长基线干涉测量技术(英文简称VLBI)——该技术也曾多次应用于我国嫦娥探月工程的探测器,“假定在1毫米波长观测,一个长度为1万千米的基线,就能获得约21微角秒的分辨本领”。

  “这是什么概念?形象地说,达到的分辨率约20微角秒,就足以在巴黎的一家路边咖啡馆,阅读纽约的报纸!”沈志强说。

  不过,这并不意味着只要VLBI阵列的分辨率足够高,就一定能成功给黑洞拍照。“如同观看电视节目必须选对频道一样,对黑洞成像而言,能够在合适的波段进行VLBI观测至关重要。观测黑洞视界的最佳波段在1毫米附近。”沈志强说。

  事件视界望远镜(EHT)观测所利用的技术就是毫米波VLBI,目前其工作波段在1.3毫米。

  这是由8个地面射电望远镜组成的国际合作观测阵列——一个观测口径近乎于地球大小的“虚拟望远镜”,“所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的”。

  路如森告诉记者,虽然分布在地球各地的8个地面射电望远镜,并没有实际连接,但借助氢原子钟精确计时,各台望远镜可以实现数据记录的同步。

  在2017年的全球观测中,EHT的观测波长就实现了1.3毫米。

  按照路如森的说法,EHT的每一台望远镜都记录了大量的数据——每天约350太字节。这些数据被存储在高性能的充氦硬盘上。一旦生成,数据就会被空运到德国马普射电所和美国麻省理工学院海斯塔克天文台,在那里,被称作相关处理机的高度专业化超级计算机,将对各个台站数据进行处理。

  最后,借助合作开发的新型计算工具,这些数据被精心处理并用来生成图像。

  如今,作为多年国际合作的结果,EHT终于为科学家提供了研究宇宙中“最极端天体”——黑洞的新手段。

  路如森透露,未来,随着格陵兰望远镜和基特峰望远镜等加入,EHT的灵敏度将显著提高,并有望扩展到更短的0.8毫米。

  中国天文学家作了“非常重要的贡献”

  根据EHT发布的情况,全球参与此次EHT国际合作项目的科研人员达200名之多,其中,来自中国大陆的学者有16人,分别来自上海天文台8人、云南天文台1人、高能物理所1人、南京大学2人、北京大学2人、中国科学技术大学1人、华中科技大学1人。另外,还有部分来自中国台湾地区的学者。

  早在20年前,EHT科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克就曾和我国科学家合作研究黑洞。

  如今再次合作,海诺·法尔克评价中国科学家表现时说:“他们现在是中国受人尊敬的科学家。在天文学、射电天文学、太空天体物理等领域,中国在这个全球项目中作出了非常重要的贡献!”

  路如森告诉记者,在EHT国际合作形成之前,我国就已经关注高分辨率黑洞观测和黑洞物理的理论与数值模拟研究,并开展了多方面“具有国际显示度”的相关工作。

  具体到这一次合作,我国科学家在早期EHT国际合作的推动、EHT望远镜观测时间的申请、夏威夷JCMT望远镜的观测、后期的数据处理和结果理论分析等方面都作出了贡献。

  路如森还记得,他曾到夏威夷参与观测,在4000多米的高山上“爬上爬下”,褪去科学家的光环,直接抡胳膊上阵充当“苦力”,调试磁盘阵列。

  EHT董事会主席、德国马克斯·普朗克射电天文研究所所长安东·岑苏斯透露,他们和中国科学家建立了广泛的合作伙伴关系。他所在的研究所就有许多合作过的学生和博士后研究员,其中一位,就是路如森。

  安东·岑苏斯说,路如森到上海天文台之前,就曾是马克斯·普朗克研究小组的领导者。令他印象深刻的是,路如森的兴趣在于使用VLBI方法进行观测,在后来的实际工作中也进行了数据的成像重建。

  “还有其他科学家帮助我们使用JCMT射电望远镜进行观测,有的参与了已获得的数据的理论建模工作。所以,中国在这个项目中的参与是多方面的!”安东·岑苏斯说。

  首张黑洞照片发布后,沈志强告诉记者,对M87中心黑洞的顺利成像,绝不是EHT国际合作的“终点站”,“也许,就在未来的不久,我们就将迎来更多令人兴奋的结果”。(记者邱晨辉)

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