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    看起是橙色的,實際是單色的:能拍到黑洞“彩照”嗎?

    發布時間:2022-05-13 15:20

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       編輯:李杏

    北京時間5月12日晚21時許,全球多地天文學家聯合揭曉了人類“拍攝”到的第二張黑洞照片——位于銀河系中心的超大質量黑洞“人馬座A*(Sgr A*)”的首張照片。

    第二張黑洞照:依然像“甜甜圈”

    一般而言,人們是無法看到黑洞的,因為它吞噬了所有的光(電磁波)。但如果在黑洞周圍打上光(“光”指:周圍氣體發出的輻射),就可以看到黑洞的陰影。陰影的大小直接正比于黑洞的質量。

    大約3年前,也就是2019年4月,事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,EHT)合作組織發布了人類首張黑洞照片——距離地球5500萬光年的M87中央黑洞(M87*)的照片。

    此次銀河系中心的超大質量黑洞的照片,則是人類擁有的第二張黑洞照片。為了拍這張照片,研究團隊創建了一個猶如地球般大小的虛擬望遠鏡,該望遠鏡由分布在全球六地的8個射電望遠鏡組成。

    從外觀上看,第二張黑洞照片跟首張黑洞照片相似,依舊像個橙紅色的“甜甜圈”。

    中國科學院上海天文臺副研究員江悟解釋說,根據愛因斯坦廣義相對論的預言,黑洞周圍發射的氣體光線,受到黑洞強大引力的彎曲,最后所有這些能到達觀測設備的光線,會呈現出一個明亮的環狀結構,中心是一個黑暗區域。因此,從外觀上看,它就像一個“甜甜圈”。

    左:2019年4月面世的人類首張黑洞照片;右:2022年5月出爐的第二張黑洞照片。原圖來源于EHT合作組織攝

    為何第二個“甜甜圈”比第一個更模糊?

    細心的讀者可能會發現,兩張黑洞照片看似相同,實則有差。比如,“高光”區域不同,這是因為不同的亮度代表輻射強度的高低。

    另外,盡管耗時更久(在首張黑洞照片出爐3年后,第二張黑洞照片方才面世),但第二個“甜甜圈”比第一個“甜甜圈”更模糊。

    其實,銀河系中心的黑洞距離地球近些,之所以會出現這種情況,江悟解釋,是因為在地球和銀河系中心之間存在大量的氣體和塵埃,這部分氣體和塵埃對來自銀河系中心的電磁波輻射,會產生散射效應,“簡單地說,可能會對銀河系中心圖像產生‘模糊和放大’的效果,所以我們需要到更短的毫米波里去成像?!?/p>

    對于銀河系中心的黑洞成像,還有一個更大的挑戰是,銀河系中心黑洞的快速“時變”。這就好比,如果拍靜物,攝影師能輕松捕捉,但如果拍快速運動的物體,就很考驗攝影師的技術。

    來自斯圖爾德天文臺、亞利桑那大學天文系和數據科學所的EHT科學家Chi-kwan Chan解釋:“氣體繞轉M87*一周需要幾天到數周時間;但對于相對小很多的Sgr A*來說,氣體幾分鐘內即可繞轉它一周。這意味著在EHT觀測后者時,該超大質量黑洞周圍繞轉氣體的亮度和圖案在時刻快速變化著。有點像要給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片”。

    銀河系有幾個黑洞?

    這次拍攝的黑洞,是銀河系中心一個超大質量的黑洞。中國科學院上海天文臺研究員路如森說,實際上,銀河系里邊有很多恒星級的黑洞,但超大質量的、質量超過太陽質量幾百萬倍的黑洞,只有這一個。

    黑洞陰影和周圍環繞的新月般光環非常小,在拍照設備能力有限的情況下,要想拍攝到黑洞的照片,毫無疑問,天文學家們希望找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為對象。

    而銀河系中心的這個黑洞和M87中央黑洞,正是事件視界望遠鏡(EHT)合作組織在2017年觀測期間發現的兩個超大質量黑洞。

    兩個黑洞“甜甜圈”一樣大嗎?

    從兩張黑洞的照片來看,大小很相近。而其實人類首張黑洞照片,來自距離地球5500萬光年的遙遠星系M87;這次第二張黑洞照片來自銀河系中心,距離地球約2.7萬光年。距離相差這么遠,為何呈現的黑洞“甜甜圈”看上去差不多大呢?

    其實,這跟黑洞的大小也有關系,第一張照片的黑洞的質量為太陽質量的65億倍,第二張照片的黑洞的質量約是太陽質量的430萬倍。

    中國科學院上海天文臺臺長沈志強解釋,大的天體距離地球遙遠,小的天體距離我們近,“就好比,我們看到月亮滿月時,大小跟太陽差不多。其實它們的大小差了400倍左右,與地球的距離也差了400倍左右?!?/p>

    下一步給黑洞“拍電影”

    事件視界望遠鏡(EHT)是一個以直接觀測星系中心超大質量黑洞在事件視界尺度上的結構為主要目標的國際合作項目,吸引全球科學家的參與。第二張黑洞照片中,在中國大陸,中國科學院上海天文臺牽頭組織了17位來自7個單位的科研人員參與合作。

    EHT的科研目標不僅在于證明黑洞的存在,更要了解更多黑洞相關的物理性質。作為EHT合作的中國國內協調人,沈志強介紹,EHT計劃拍攝一部銀河系中心黑洞的“電影”,“現在我們只是‘拍’到一幀一幀靜止的畫面,將來希望能連續‘拍攝’長時間的‘電影’。上海天文臺正在規劃建設中國的亞毫米波VLBI(VLBI:甚長基線干涉測量)望遠鏡,以期參與到對Sgr A*的24小時不間斷的接力觀測中?!?/p>

    可以給黑洞拍彩色照片嗎?

    目前的兩張黑洞照片都是一個色系的,且是單色的。那么黑洞有辦法“超越”熊貓,拍出彩色照片來嗎?

    對此,南京大學教授李志遠表示,給黑洞拍彩色照片,雖然在原則上可行,但技術上目前還有限制。因為不同波段的分辨率可能差別會很大,現在的毫米波、亞毫米波已被證明是最能提供高分辨率細節的波段,如果要將“拍攝”推廣到其他波段,不是現有的儀器所能做到的。

    雖然彩照短期內無望,但雙色或許可能。李志遠介紹,(EHT)也在計劃推動更多波段的“拍攝”,比如推進更高頻率波段的觀測。

    更多迷你“甜甜圈”

    事件視界望遠鏡(EHT)在2018年已經增加了3個新的(射電望遠鏡)臺站,目前正在分析2018年和2021年的觀測數據,整理2022年新的觀測數據。

    未來,Sgr A*和M87*仍是EHT最重要的科學目標,團隊正在探究它們如何隨時間變化,希望獲得更清晰的圖像。

    EHT還將望遠鏡對準其他目標源,制作更多“甜甜圈”。因為其他“甜甜圈”更迷你,所以需要更高的角分辨率,需要建設空間望遠鏡,以實現這一目標。

    來源:中國新聞網

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