给黑洞拍照:黑洞暗影究竟什么样?

作者:左文文(中国科学院上海天文台)

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2016年2月,科学家首次探测到引力波,来自双黑洞合并(模拟图)

提到黑洞和引力波,相信很多人已经不陌生了,在去年年底《自然》杂志发布的2017年全球热点科学领域的预测中,“进一步探测黑洞和引力波”便是热点之一。

这并不奇怪,毕竟黑洞到底是什么,一直备受关注。

尽管科学家们已经对黑洞有所了解,知道黑洞并不黑,研究它们在不同电磁波窗口、引力波窗口下的样子,甚至对黑洞进行了巡天观测,对黑洞样本进行统计分析,且试图理解黑洞是如何诞生、如何成长的。但是,这其中依旧有很多未解之谜,例如,黑洞的视界面周围看起来是什么样子;是否与广义相对论的预测相符合;黑洞的喷流是如何产生的,等等。

今年4月,科学家们针对黑洞开展了一项了不起的工作——对黑洞视界区域的直接观测

黑洞的视界是什么?这项工作还有什么目标?这项工作是如何开展的?我们期待着能看到什么呢?带着这些问题,我们一起一探究竟。

黑洞是什么?

我们之所以能看见物体,是因为有光子进入我们的眼睛,那么黑洞(Black Hole)呢?

我们知道,黑洞说的就是某个时空区域,由于引力非常强,以至于速度最快的光子都没有办法逃离。连光子都没有办法逃离,也就是没办法被我们看见,所以被称为黑洞。

或者你可以想像一条瀑布,水从上至下,一旦物体接近瀑布的高处边缘,想要逃离边缘就很难,命运只可能是顺着水流从高处落下。

早在1783年4月,John Michell就发表过文章,他的简要计算表明,如果一个天体密度和太阳差不多,而直径是太阳的500倍,它所对应的逃逸的速度就会比光速还要大,也就是说光也没办法逃离它,无法被人观测到,当时称这类天体为暗星(dark star)。

1915年,爱因斯坦发表他的广义相对论,阐明物质质量决定时空如何弯曲,而时空弯曲决定了物质将如何运动。

几个月之后,卡尔·史瓦西给出了第一个精确解+史瓦西解,他描述了不带电的物质球对称塌缩的过程。而之后的其他科学家们也纷纷提出了具有更复杂性质的黑洞解。

和虫洞一样,黑洞也是被爱因斯坦所提出的方程的一种解的形式所预言存在的。而和虫洞不同的是,黑洞是目前已经被天文学家间接和直接证明存在的一类天体。

黑洞有什么特点?

任何质量的物体,都对应有一个临界半径,物体如果被压缩成球体,其半径小于这个临界半径后就会发生重力坍缩。

这也就意味着,其实你也可以被压成黑洞,前提是有办法把你压缩到很小很小,小到几乎看不见。

如果让地球变成一个黑洞,就要把地球缩小到10亿倍,压到18毫米,相当于1分钱的直径那么大。

如果让太阳变成一个黑洞,要把太阳缩小到10万倍,压到6千米那么大,密度高达每立方厘米200亿吨。

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黑洞-视界,图片来源:索恩《The Science of Interstellar》

一旦形成黑洞,就会在周围形成一个界面,这个界面被称作视界面(event horizon),它就像一堵无形的墙将内部被高度扭曲的时空和外界时空隔离开,该界面以内的物质都无法逃离,即使光也不例外,之后其本身将继续收缩成为密度无限大的奇点。

光是让我们能够了解信息的使者,如果连光都无法逃离该视界面,那就相当于没有使者告诉我们黑洞视界里面发生什么事情。

如何判断黑洞存在与否?

其实,天文学家们可以通过黑洞对周围物质的引力影响来间接地判断它的存在,就像我们虽然看不见风,但是可以通过树叶的摆动判断风的存在。

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电影《星际穿越》中的黑洞

对于黑洞,这里的“树叶摆动”可以是周围物质或气体的运动、发出的辐射以及其它由强引力带来的影响等。

但天文学家们还从未直接地看到过黑洞。

如果说黑洞的重要性质之一是视界半径,能否直接看到视界半径的存在呢?这其实正是天文学家们如今正在做的事情。

今年4月,给黑洞拍个照

给黑洞拍照?究竟是拍什么呢?其实就是拍摄黑洞的“暗影”。那么,什么是“暗影”,就是指视界面以内看不见的区域吗?它是纯黑暗的吗?

并非如此,“暗影”不纯暗!今年4月5日至14日开展的拍照黑洞,就是希望能够拍摄到黑洞的“暗影”。

2000年,Falcke等天文学家们首次基于广义相对论下的光线追踪程序,模拟出银河系中心黑洞Sgr A*看起来的样子。

根据他们的模拟结果,如果黑洞后面有一个类似于吸积盘的平面光源(planar-emitting source),平面光源发出的光子,会受到黑洞的强引力场的影响。天空平面(与视线方向垂直的面)会被一个名为黑洞“视边界”(apparent boundary)的圆环一分为二。

一边是在视边界圆环以内的光子,只要在视界面以外,就能逃离黑洞,但受到很强的引力作用,亮度低;一边是在视边界圆环以外的光子,能绕着黑洞绕转多圈,积累的亮度足够高。

这样的结果是,从视觉上,我们就会看到在视边界内侧的亮度明显更弱,相比之下,看起来就像一个圆形的阴影,外面包围着一个明亮的光环。故此得名黑洞的“暗影”(black hole shadow)。

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广义相对论预言,将会看到一个近似圆形的暗影被一圈光子圆环包围。由于旋转效应,黑洞左侧更亮。图片版权:D. Psaltis and A. Broderick

那么,这个“视边界”或者说“暗影”有多大呢?与什么因素有关呢?

如果不自转黑洞的视界半径与史瓦西半径大小相同,将其记为r,那么它的视边界就是2.6r;具有相同黑洞质量但自转值最大的黑洞呢,视边界半径就约是2.3r。

这说明黑洞视边界的尺寸与r有关,而与黑洞的自转关系不大,而r又主要与黑洞质量有关,因此可以说,黑洞质量是决定 “视边界”尺寸的主要因素。

那又为什么要给黑洞拍照呢?

主要有三个目标。

第一,验证广义相对论。

广义相对论预言了黑洞“暗影”的存在、尺寸和形状。如果观测结果与预言相符,那就验证了广义相对论;如果有所不一样,则说明有一些新的方面需要改进。

第二,理解黑洞是如何吃东西的。

黑洞的“暗影”区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域,这里的信息尤为关键,综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息,就能更好地重构黑洞吃东西的物理过程。

第三,理解喷流的产生和方向。

某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前,会由于磁场的作用,沿着黑洞的转动方向被喷出去。

以前收集的信息多是更大尺度上的,却没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么,现在对黑洞暗影的拍摄,就能助科学家一臂之力。

拍的是哪些黑洞的暗影呢?

这次的拍摄目标,是银河系中心的黑洞Sgr A*和星系M87的中心黑洞。

之所以选择Sgr A*,因为它是地球上看过去最大的黑洞。而另一个M87里的黑洞,尽管距离我们更远——五千三百万光年之外,但黑洞质量是60亿倍太阳质量,这使其成为第二大黑洞。

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银河系中心黑洞想象示意图

Sgr A*的质量是430多万倍太阳质量,对应的r是1300多万千米,“视边界”的半径约3300多万千米,综合它到地球的距离26000光年,“视边界”看起来的角尺寸约为0.00005角秒。

要知道,从地球上看满月的尺寸约为30角分,0.00005角秒就相当于从地球上看橘子大小的物体(注:0.00005角秒约是30角分的3亿分之一,月球直径约3500多千米,其3亿分之一约为11厘米)。

假设M87中心的黑洞也是个不自转的黑洞,那么从地球上看过去,M87的“暗影”角尺寸会略小些。

暗影这么小,要怎么看?

当然是用望远镜看啦!

天文学家们利用的是基于亚毫米波段的电磁波,由于分辨率与所基于的电磁波波长有关,波长越短,分辨率越高,但技术难度也更高,目前观测基于的是波长为1.3毫米的电磁波,未来,天文学家们期望能基于0.8毫米的电磁波来拍摄黑洞暗影。

过去的十年多时间里,麻省理工学院的天文学家们联合了其他机构的同行,让全球8个天文台计划同时对银河系中心的黑洞Sgr A*展开亚毫米波段观测,这些望远镜统称为“视界面望远镜”(Event Horizon Telescope)。

视界面望远镜包括:北美、南美、欧洲和南极的射电望远镜。

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望远镜在全球分布示意图,红点代表望远镜所在地

分辨率与干涉臂长相关,臂长越长,分辨率越高。这些望远镜构成了一个干涉阵列,所以视界面望远镜的特点之一就是分辨率(分辨能力)高

这些射电望远镜Sgr A*的暗影尺寸是5r(r指史瓦西半径),如果视界面望远镜仅利用位于夏威夷、加州和亚利桑那州的射电望远镜,达到的分辨率是6r,即能将相距6r的两个物体区分开。如果加上ALMA,分辨率达到3r,如果再加上南极的射电望远镜,分辨率将达到1.5r,绝对能分辨目标源的黑洞“暗影”。

这样一比较,视界面望远镜阵列的分辨率比哈勃望远镜的分辨率还要高出1000倍多呢。

视界面望远镜的另一个特点是灵敏度高为了得到更高的灵敏度,在观测过程中,天文学家们采用了大望远镜和快速采集数据。

那么,这些望远镜如何合作呢?

天文学家们采用射电干涉技术,多台设备同时看和记录,然后数据汇总到一起分析,每天晚上产生的数据达到2PB(1PB=1048576GB,相当于50%的全美学术研究图书馆藏书咨询内容)。所以说,数据处理和理论分析是对天文学家提出的挑战。

黑洞本身很简单,但是从数据中挖掘出来的细节很大程度上取决于黑洞周围复杂的环境,因此我们需要能建模重构出这些复杂的环境。

数据量之多,处理难度之大,造成黑洞暗影的照片被处理出来还需要近一年的时间,预期最快2018年上半年能看到处理结果。

尽管难度大,面临挑战多,但天文学家作出计划,迈开合作观测这一步。

让我们等着黑洞暗影照片的出炉,更期待的是从照片讲出的故事,是验证了广义相对论,还是发现广义相对论有可改进之处?是否为黑洞吃东西、喷流等带来新的前进契机?让我们拭目以待!

致谢:在此感谢上海天文台韩文标老师和国家天文台苟利军老师对作者理解黑洞暗影所提供的帮助。

(文章首发于科学大院,转载请联系cas@cnic.cn)二维码