視點
“有圖有真相”,黑洞照片的發(fā)布,為科學(xué)家進一步研究其“吞噬機制”提供了直接素材。
北京時間10日晚9時許,包括中國在內(nèi),全球多地同步公布了黑洞“真容”。該黑洞位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心,距離地球5500萬光年,質(zhì)量約為太陽的65億倍。它的核心區(qū)域存在一個陰影,周圍環(huán)繞一個新月狀光環(huán)。網(wǎng)友驚嘆——分明是個“甜甜圈”。
照片上的黑洞,略顯“萌態(tài)”。但實際上,它是只不折不扣的怪獸,在宇宙中游走并吞噬著一切。這次公布的黑洞照片不僅提供了黑洞存在的直接“視覺”證據(jù),也再一次證明愛因斯坦廣義相對論在極端條件下仍然成立,同時還為天文學(xué)家進一步研究黑洞吸積物質(zhì)的具體機制提供了可能。
給黑洞拍張“寫真”有多難
“黑洞”簡單來說,就是引力大到連光都不能逃出的天體。火箭能夠飛出地球,可你跳起來總會落到地面上,因為你的速度不如火箭快,總會被地球引力給拉回來。而黑洞這樣的天體,引力大到能把速度最快的光都拉回到自身。黑洞的邊界,叫事件視界(event horizon),這個邊界以內(nèi)的一切,我們都無法看見——全部都被黑洞“吃掉”了。
你可能以為黑洞就是黑的。可天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn),黑洞究竟黑不黑要看環(huán)境。如果沒有什么東西可以“吃”,那些“安靜黑洞”確實是黑的。如果周圍有物質(zhì)掉進黑洞的話,當(dāng)物質(zhì)進入黑洞引力場,天文學(xué)上稱為吸積過程,物質(zhì)會被加熱到幾千上萬攝氏度的高溫,發(fā)出明亮的X射線輻射。從這個意義上來說,這些“活躍黑洞”堪稱宇宙中最明亮的天體之一。
要想直接看到黑洞,就得找不太安靜,又不太活躍的黑洞。即便是符合要求的黑洞,也大多因為距離我們太遙遠或者被漂浮的宇宙塵埃遮擋,而無法被直接觀測到。
更重要的是,黑洞本身就不可見,黑洞形成的“事件視界”相對于宇宙來說又太小。比如太陽直徑是140萬千米,相當(dāng)于把它壓縮到6千米以內(nèi),才能成為一個黑洞。要想看到黑洞,就得找足夠大的黑洞。
黑洞雖然總處于“隱身”狀態(tài),但在它周圍存在的物質(zhì)會釋放出電磁波,這些信息逃不過射電望遠鏡的“眼睛”。在過去10多年時間里,麻省理工學(xué)院(MIT)的科學(xué)家們聯(lián)合了其他研究機構(gòu)的科研人員,開展了“事件視界望遠鏡”項目,旨在直接看到黑洞本身的那個黑色表面和附近物質(zhì)發(fā)出的光。包括中國科學(xué)院上海天文臺在內(nèi)的一些國內(nèi)機構(gòu)也參與了此次國際合作。
他們利用分布在世界各地的8臺射電望遠鏡,組成一臺巨大的虛擬望遠鏡,口徑相當(dāng)于地球直徑。這一虛擬望遠鏡“拍照”的重點對象是兩個黑洞,一個是位于銀河系中心的“人馬座A*”,另一個位于代號為M87的超巨橢圓星系中心。而此次發(fā)布的照片就是后一個黑洞。從2017年4月啟動拍照至今,僅“沖洗”照片就耗費了約兩年時間。
愛因斯坦早已埋下彩蛋
這一次發(fā)布的黑洞照片,再一次證明了一百多年前,愛因斯坦提出的廣義相對論。
愛因斯坦把時間和空間視為四維時空,把引力可視為時空結(jié)構(gòu)的扭曲,從而徹底顛覆了牛頓物理學(xué)對時間和空間的認(rèn)識。廣義相對論發(fā)表之后求出的第一個解,其中就包含了黑洞:當(dāng)一個天體的質(zhì)量被壓縮到足夠小的范圍,這些質(zhì)量就能進入事件視界,連光也逃不出來,它外面就是黑的。
時隔一百年后,黑洞的照片提供了其存在的直接“視覺”證據(jù),證明在引力場極強條件下廣義相對論仍然是對的。觀測結(jié)果是與理論預(yù)言一致,這是對科學(xué)理論正確性論證必不可少的一環(huán)。
這次拍攝到的黑洞的“暗影”區(qū)域(也就是亮環(huán)以內(nèi),中心以外的部分),到黑洞中心的距離,已經(jīng)達到了黑洞半徑也就是所謂“事件視界”半徑的2.5倍。通過這張照片,能夠更加仔細地研究黑洞究竟是怎樣“吞噬”物質(zhì),在它的旁邊又是怎樣形成了吸積盤和噴流現(xiàn)象。
總之,一張寫真照,讓黑洞從“傳說”變成了目之所及的現(xiàn)實。我們這一代人也足夠幸運,能夠在“家門口”第一時間見證現(xiàn)代科學(xué)前沿的重大進展。而在中國科學(xué)院上海天文臺協(xié)調(diào)下,國內(nèi)諸多科學(xué)家也實地參與了此次國際合作,成為不可或缺的“中國元素”。
□孫正凡(天體物理博士)