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解密银河系中心黑洞-pg电子app

2022-05-16 07:29:04 来源:潇湘晨报

天文学家公布银河系中心黑洞首张照片。(来源:新华社,eht合作组织供图)

m87星系中心超大质量黑洞。(来源:新华社,eht合作组织供图)

2019年,沈志强接受本报全媒体记者专访。(资料图)

北京时间5月12日晚21时,全世界多地的天文学家向人类展示了来自于eht的一项突破性成果——首次拍摄到银河系中心超大质量黑洞人马座a*(以下简称sgr a*)的照片。这是继2019年4月人类拍摄到m87星系中心超大质量黑洞照片后的第二张黑洞照片。该发现集结了来自全球80个研究机构共300多名研究人员组成的eht合作组织的奇思妙想才得以实现。除了开发复杂的工具来克服sgr a*成像面临的挑战外,研究团队花了五年时间,用超级计算机合成和分析数据,编纂了前所未有的黑洞模拟数据库与观测结果进行严格比对。

eht(事件视界望远镜:event horizon telescope)合作组织国内协调人、上海天文台台长沈志强从事银河系中心超大黑洞研究已有20多年时间。昨日他接受广州日报全媒体记者专访,介绍了该黑洞的很多物理性质以及人类共同协作拍摄该黑洞照片的历程与故事。沈志强表示,银河系中心黑洞的质量是太阳质量的约400万倍,太阳系围绕该黑洞旋转一周的时间约2.25亿年,但该黑洞的形成仍是未解之谜,而前后两张黑洞照片的发现,也再一次验证了爱因斯坦的广义相对论。

文、图/广州日报全媒体记者 武威(除署名外)

对话沈志强:

太阳系绕银心黑洞一圈约2.25亿年

广州日报:据科学观测,银河系中心黑洞的质量约是多大?体积多大?直径多大?其密度有多大?

沈志强:根据我们目前的观测了解,银心黑洞的质量约为400万倍的太阳质量,若将其看作一个(视界)直径为2400万千米(约太阳直径的17倍,地球到月亮的距离的63倍)的球体,不难估算出它的密度约为1200克每立方厘米。这个密度是水密度的1200倍。

广州日报:太阳系围绕这个银河系黑洞运动的角速度有多大?太阳到这个黑洞的平均距离为多少?

沈志强:处在猎户旋转臂的我们的太阳(地球)距离银心黑洞约为27000光年,正以每秒240公里的速度绕银心公转,由此不难估算出太阳系围绕这个银心黑洞的角速度约为1.6°/百万年,或者说要用大约2.25亿年绕转一圈。

广州日报:银河系中心黑洞的形成是否有一些假说?这次的观测对这些假说是否能有一定的证明?

沈志强:目前我们认为,恒星质量级的黑洞是由大质量恒星演化晚期坍缩形成,但星系中央的超大质量黑洞是如何形成的,仍是未解之谜。

银心黑洞应该是已演化到了稳定阶段,科学家们利用eht观测及其它的多波段观测数据得到的诸多限制来筛选不同理论模型(不同转动速度,磁场和吸积物质电子性质的理论模型),但尚无法回答黑洞形成阶段的问题。

广州日报:是否大星系的中央都有这样一个巨大的黑洞?宇宙的中心是否也有一个巨大的黑洞?

沈志强:是的,通常认为大多数星系中心是存在一个超大质量黑洞。今天我们知道我们所处的宇宙是各向同性,没有一个宇宙中心。

广州日报:这次的黑洞照片看起来与上次的m87*在周围的亮点分布上看起来不一样,这是为什么?

沈志强:大多数超大质量黑洞被炽热且明亮的气体环绕。这些气体发出的光线被黑洞强大的引力所弯曲,使得sgr a*和m87*都呈现出亮环结构。m87*尺寸巨大(是sgr a*的1600多倍),气体绕转中央黑洞一周要花费相当长的时间;相对而言,sgr a*周围气体只需几分钟即可绕转一周。黑洞周围环境的快速变化使得sgr a*在长时间曝光情况下的成像呈现不同方位的亮斑分布。m87环亮的部分揭示了那部分气体在向着我们运动,但是银心黑洞环亮的部分位置尚不能得出确定的结论。

广州日报:我们了解到,您从1997年开始就参与到对银河系黑洞的观测之中,能否简叙其中的一些重要发现?

沈志强:是的,我们1997年的观测主要是对来自银心的辐射到达我们观测者之间的星际散射效应有了更好的定量估算,使得人们确认在更短的观测波长(如,毫米波、亚毫米波)上将有望看清sgr a*的真面目。随后于2002年我们成功对sgr a*开展了在3.5毫米的高分辨率成像观测并测得其内禀大小约为一个天文单位(一个天文单位是地球到太阳的平均距离,约1.5亿公里)。接下来就是在1.3毫米的观测,为此全球科学家不懈努力,从首次探测到信号,到建设新的亚毫米波vlbi望远镜、提升观测性能、并开发数据分析新技术等,历时20多年,终获这次发布的银心黑洞首张照片。

广州日报:黑洞照片的发现对验证广义相对论有哪些帮助?

沈志强:黑洞是广义相对论的预言。我们看到的黑洞图像实际来自于黑洞周围等离子体的辐射,正是这些发光的气体勾画出了黑洞附近极度弯曲的时空,可以用于对广义相对论的验证。

尽管两个黑洞(m87*和sgr a*)大小和质量相差了1600多倍,但m87黑洞和银心黑洞的阴影却非常相似。这与爱因斯坦的广义相对论预测出奇一致。这些都提升了我们对银河系中心所发生一切的认识,并为了解超大质量黑洞如何与周围环境相互作用提供了全新视角。

神秘的黑洞:光也无法“逃逸”的天体

黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界(event horizon)逃脱的天体。 沈志强曾在一场科普讲座中这样介绍黑洞:“高中物理就学过逃逸速度的概念,比如地球的逃逸速度是11.2km/s,也就是第二宇宙速度,在地球周围运动的物体,如果速度小于逃逸速度,就无法挣脱地球引力,永远都在地球的控制范围内;但当物体超过这个速度,地球就无法再抓住它。类比黑洞,因为引力足够大,在它附近的物体即使达到光速都无法挣脱黑洞引力,被永远‘封印’住。”

沈志强表示:“黑洞的概念离不开爱因斯坦在1915年提出的广义相对论。广义相对论告诉我们一个简单的道理,就是物质的运动和时空是不可区分的,物质及其运动告诉时空如何弯曲,时空则告诉物质如何运动。到目前为止,所有的观测都无法证明广义相对论是有问题的。1915年,广义相对论提出后不久,就已经有人推算出黑洞这一当时还存在于理论中的天体,而黑洞真正作为名词出现是1967年。黑洞是非常致密的天体,它附近的任何辐射都不可能挣脱出来,所以中心永远是黑色的。”

沈志强说:“我们描述黑洞非常简单,只要有质量,我们就能知道它变成黑洞后的引力半径。以太阳的质量来看,它要塌缩成6公里直径的致密天体才能成为一个黑洞;而对于地球,则要缩到2厘米直径,才能成为一个黑洞。”

银心黑洞发现已有48年

要想证明黑洞确实存在,人类必须要能观测到它。沈志强介绍,从20世纪六七十年代开始,天文学家们就开始了非常严肃地探讨应该怎样找到黑洞。1971年,科学家林顿·贝尔和马丁·瑞斯就发表了一篇文章,提到要找到黑洞,最简单的方式就是在人类所居住的银河系中心寻找。文章还提到,使用vlbi技术(甚长基线干涉测量)也许是可行的。“vlbi就是利用分散在全世界的多台射电望远镜,共同进行天文观测。如今,vlbi技术经过发展,能达到非常高的空间分辨率,几乎是哈勃望远镜的500倍。”

很快到了1974年,利用vlbi技术,科学家就发现在银河系中心存在一个非常致密的天体。它随后被公认为研究黑洞物理的最佳目标。

沈志强介绍,黑洞的视界半径是0.08天文单位,vlbi是全球合作的eht(事件视界望远镜)项目的技术基础,它结合世界各地的射电望远镜,使许多相隔数十万公里的独立天线能互相协调、同时观测同一目标并记录下数据,形成一口径等效于地球直径的虚拟望远镜,将望远镜的角分辨率提升至足以观测事件视界尺度结构的程度。eht期望借此检验爱因斯坦广义相对论在黑洞附近的强重力场下是否会产生偏差、研究黑洞的吸积盘及喷流、探讨事件视界存在与否,并发展基本黑洞物理学。

值得一提的是,早在20世纪30年代,人类就“听”到了银河系中心的“声音”。沈志强介绍,从伽利略到20世纪20年代,人类通常只能用眼睛观察到光学波段的无线电信号。而射电望远镜的发明源自于一场“无心插柳”:20世纪30年代,美国贝尔实验室的工程师央斯基想要提高美国到欧洲的无线电通话质量,试图排除其他无线电干扰所产生的噪音,于是他设计了一款天线,寻找无线电干扰的来源,这种天线就像游乐场的旋转木马一样在地面绕圈子。央斯基进行了很长时间观测,最终发现这个噪音去不掉,因为它不是来自地球,而是来自宇宙,来自银河系中央。

因此,“旋转木马”天线就是现代射电望远镜的雏形,沈志强介绍:“现在我们了解到,人眼能感受到的电磁波也就是可见光从波段来讲是非常窄的。但射电谱段却是非常长的。我们现在用的无线电、手机信号其实都处在射电谱段里,射电望远镜能探测到的深空信号非常微弱,所以假如我们去参观fast,是不许使用手机和wifi的,因为产生的无线电信号会对遥远太空的信号产生干扰。”

沈志强表示:“银河系中心在可见波段上几乎永远是漆黑一片,这是由于受到大量尘埃和气体的遮挡,让银河系中心附近发出的1万亿个光子中只有1个可以达到地球。但在其他波段,我们所看到的图像完全不一样。银河系是一个椭圆星系,如果我们有一天能够不断地靠近银心,那我们还是能观察到,黑洞周围还是有很多恒星在绕着它转。在银河系中心还有非常复杂的物质和结构。”

“大科学需要大协作”:20多年专注研究一件事

沈志强从本科起到博士一直在天文学领域探索,他读大学是在20世纪80年代,当时国家还不具备财力和设备去支持开展自己的天文观测,因此最初他更喜欢理论方面的研究,后来才慢慢迷上天文观测。“观测可以起到决定性作用,比如验证一些理论,爱因斯坦提出广义相对论至今已有100多年,我们还要通过天文观测来检验他说得对不对。”

20世纪90年代,沈志强开展博士后研究,他师从国际著名天文学家、美国国立天文台名誉台长鲁国镛先生,“当时鲁国镛先生给了我两个课题去选择,一个是我现在做的银河系中心的超大质量黑洞sgr a*观测,另一个如今也是前沿课题,在恒星形成领域。最后,我选择了前者。”

沈志强自此开始了与黑洞的不解“情缘”。在随后的20多年时间里,沈志强与合作者对银河系中心超大质量黑洞开展了大量观测。1997年,他使用分布在美国各地的10个25米口径射电望远镜组成的甚长基线干涉阵,对sgr a*开展了世界上首个五波段成图观测;2000年,他又递交了全球首个在3毫米波长对sgr a*的观测计划并获得成功,耐心等待了20个月,终于在2002年11月3日当天,所有观测点的天气状况达成了一致的良好条件,才进行了长达5小时的观测。在完成大量的数据分析处理后,沈志强获得了世界上首张3.5毫米波长的人马座a*的高分辨率图像,这张图像在确认sgr a*超大质量黑洞的同时,更将该黑洞的“照片”缩小到直径1.5亿公里的范围内。2005年11月3日,该成果被《自然》杂志发表。

“我还是比较幸运的,20多年里不断地有成果可以发表,有些科学家可能做了10年都没有很好的结果,但这可能并不是最重要的。我觉得做科研是个过程,在这个过程中,坚持很重要。”沈志强曾对记者说,“我经常跟年轻学者说,要给自己5到10年,潜下心来在一个领域认认真真做。很多世界一流成果,从开始从事研究到最后获得公认,往往是50年的时间投入,很多科学家几乎一生都在做一件事。所以如果你喜欢这件事就要坚持,不要因为一些原因就放弃了。”

如今除eht项目外,还有越来越多的国际科研合作项目正在开展。“大科学需要大协作。”沈志强认为,这是大势所趋,“科学技术发展到今天,既需要有牛顿、爱因斯坦这样极其聪明的大脑,也需要各个国家在科研领域的相互协作。很多研究领域所需的人力、物力,已不是一个国家的能力所能及,需要全球科学家的参与。”

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