世界首张黑洞照片出炉,中国科学家有啥贡献?
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北京时间2019年4月10日晚9点,黑洞事件视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)合作组织协调召开全球六地联合新闻发布会,宣布人类首次利用一个口径如地球大小的虚拟射电望远镜,在近邻巨椭圆星系M87的中心成功捕获世界上首张黑洞图像(图1)。

这张图像的意义非同一般,它提供了黑洞存在的直接“视觉”证据,使得在强引力场下验证爱因斯坦广义相对论,细致研究黑洞附近的物质吸积与相对论性喷流成为可能。

那么,黑洞为什么可以成像?如何成像?本文试图以亲历者的角度,对黑洞成像的前前后后做一解读。

世界首张黑洞照片出炉,中国科学家有啥贡献?

图1. M87星系中心超大质量黑洞(M87*)的图像,上方为2017年4月11日的图像,下方三个图为M87*在2017年4月5日、6日和10日的图像。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”(见下文),周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相对论性射束(beaming)效应所造成的。由这种上(北)下(南)的不对称性可以定出黑洞的自旋方向。(图源:参考资料[1])

黑洞与广义相对论

一百多年前,爱因斯坦提出广义相对论,将时间和空间结合为一个四维的时空,并提出引力可视为时空的扭曲。这一理论做出了不少重要预言,其中之一便是:当一个物体的质量不断塌缩,就能隐蔽在事件视界(event horizon) 之内——在这一黑洞的“势力范围”内,引力强大到连光都无法逃脱。

对于广义相对论的验证,可以追溯到一个世纪以前。1919年5月29日,Arthur Eddington等人在日全食期间对太阳附近光线偏折的实验测量(图2) ,拉开了上世纪验证广义相对论的序幕,并把爱因斯坦推上了科学的“神坛”。

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图2. 1919年5月29日的日食期间,在西属几内亚的普林西比岛和巴西北部的索布拉尔两地首次利用星光偏折验证广义相对论示意图。(图源:The Illustrated London News)

一个世纪以来,广义相对论经受住了接连不断的实验验证,黑洞的存在也已得到越来越多天文观测的佐证。

目前,天文学家普遍相信黑洞确实存在于宇宙之中,从质量为数倍到数十倍于太阳的恒星级黑洞,到高达数百万倍甚至数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞,应有尽有。而且,超大质量黑洞存在于几乎所有星系的中心。

然而,即使在LIGO/Virgo探测到引力波、从而权威性地证明黑洞存在的今天,人类还是没有直接看到能够揭秘极端条件下时空秘密的那个“洞”——“黑洞事件视界”。

这或许正是黑洞本身的迷人之处所造成的——黑洞的致密程度让人难以想象!如果把地球压缩成一个黑洞,它的大小和一个汤圆差不多;而一个位于距离地球1kpc(约3262光年)处,10倍于太阳质量的恒星级黑洞,其事件视界的角直径大小只有0.4纳角秒。这比哈勃望远镜的分辨率还要小约1亿倍,任何现有的天文观测手段都没有这样的分辨本领!

为什么黑洞能成像?

既然黑洞是“黑”的,连光线都无法逃脱,那我们又该如何看到黑洞呢?

事实上,黑洞并不是孤立存在的,它的周围存在大量气体。由于黑洞的强大引力,气体会朝黑洞下落。而当这些气体被加热到数十亿度高温时,便会发出强烈的辐射。同时,黑洞也会以喷流和风的形式向外喷射物质和能量[2]。

广义相对论预言,我们将会看到中心区域存在一个由于黑洞视界形成的阴影(black hole shadow),周围环绕一个由吸积或喷流的辐射造成的光环——它状如新月,大小根据黑洞的自旋及与观测者视线方向的不同,介于4.8-5.2倍史瓦西半径之间(注:史瓦西半径是没有自旋的黑洞的事件视界半径;一个太阳质量的黑洞的视界半径约为3千米)。

在没能一睹黑洞真容的岁月里,科学家通过计算了解黑洞的“样貌”。

早在上世纪10年代后期,大数学家希尔伯特(David Hilbert)就计算了黑洞周围的光线弯曲和引力透镜效应。

70年代,James Bardeen[3]及Jean-Pierre Luminet[4]等人计算出了黑洞的图像(图3,左)。

90年代后期,Heino Falcke等人针对银河系中心黑洞的情况做了详细计算,并引入了黑洞阴影的说法[5]。他们同时指出,该黑洞阴影若是“镶嵌”在周围明亮的,光学薄(即对某一观测波长透明)的热气体中,就可以被(亚)毫米波甚长基线干涉测量技术“看到”。

此后,人们利用广义相对论磁流体动力学数值模拟,针对黑洞成像开展了大量研究,均预言黑洞阴影的存在(如图3,右)。因此,对黑洞的阴影的成像提供了黑洞存在的直接“视觉”证据。

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图3. 黑洞阴影图像(左图取自参考资料[4],右图由作者提供)

什么样的黑洞最适合成像?

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