作者:齐芳 来源:光明日报 发布时间:2017/4/20 9:28:55
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视界面望远镜与首张黑洞照片
访中国科学院国家天文台研究员苟利军


 

【科学向未来】

日前,由世界各地8个天文台的亚毫米射电望远镜组成的虚拟望远镜网络“视界面望远镜”,结束了对银河系中心黑洞Sgr A*和星系M87中的黑洞的观测。科学家们将用一年左右的时间分析相关数据,预计2018年黑洞会首次向人类露出“真容”。不过遗憾的是,在这次的全球协作中,没有看到中国科学家的身影。黑洞为何在天文研究中如此重要?中国科学家为何缺席?记者就此采访了进行黑洞研究的中国科学院国家天文台苟利军研究员,请他介绍相关情况。

我们将是第一批看到黑洞的人类

记者:我们之前也看过一些黑洞的模拟照片,为什么说这次是人类首次看到黑洞?

苟利军:我研究黑洞快20年了,但包括我在内的科学家都没有真的看到过黑洞。黑洞自身不发光,体积很小,而且与地球的距离非常遥远,限于望远镜分辨率,我们无法直接看到黑洞。所以,我们之前都是用观察吸积盘和喷流等间接方法来探测黑洞,然后根据理论进行计算,模拟出黑洞的样子。

这次是人类首次直接“看到”黑洞。科学家们利用位于南极、智利、墨西哥、美国亚利桑那州、美国夏威夷、西班牙的8个亚毫米射电望远镜从地球同时对黑洞开展观测,这8个射电望远镜有单镜、也有望远镜阵列,联合起来能够“拼成”一个与地球直径一样大的虚拟望远镜。我们都知道望远镜的分辨率取决于望远镜的口径,但在这个虚拟望远镜网络中,分辨率取决于望远镜之间的距离。分布在地球各处的射电望远镜极大地提高了虚拟望远镜的空间分辨率,从而让天文学家能够分清黑洞。然后应用大型计算机对海量数据进行合并与分析,产生黑洞的图像。为了处理这些海量数据,美国麻省理工学院等机构的科学家还特意开发了新的算法,以加快数据分析。

记者:那么这次可以看到黑洞内部的情况吗?是不是说我们可以全面了解黑洞了?

苟利军:不能这么说。这次我们还只能看到黑洞的“外貌”,依然看不到黑洞的内部。这里我们要说一个概念:视界面。黑洞的全部质量可以认为几乎都集中在其最中心的奇点,奇点周围会形成一个强大的引力场,在一定范围内,连光线都无法逃脱。这个光线都不能逃脱的临界半径就被称为“视界面”——也就是视线所能达到的边界。这次能看到的,就是这个“视界面”。以我们目前的技术手段,黑洞内部我们还无法看到。

黑洞会威胁地球安全吗

记者:地球会有被黑洞“吞噬”的危险吗?

苟利军:地球没有被黑洞“吞噬”的危险。我们现在理论认为,恒星质量大小的黑洞是由质量大于太阳几十甚至几百倍的恒星衰老后,核心塌缩,直至形成体积接近无限小、密度无限大的星体。这也就是说,太阳不会变成黑洞,最后会变成白矮星。

即便太阳所在的位置有一个黑洞,地球也不会有危险。因为只有和黑洞足够近,才可能被黑洞吞噬、撕裂,而地球处于安全距离。虽然我们目前只确认了20多个恒星量级的黑洞,但根据理论推算,银河系中应该存在上千万个这样的黑洞。但这个数量相较于银河系的体积来说,分布还是比较稀疏的,距离我们最近的黑洞也有三千四百多光年。即使突然间把我们中心的太阳换成一个同等质量的黑洞,我们的地球运行也不会受到任何的影响。所以,地球没有被黑洞“吞噬”的危险。

记者:如果黑洞不会威胁地球,又这样难以观测,我们为什么还要研究黑洞?

苟利军:科学家进行研究的动力之一就是好奇。黑洞就像是神奇的黑匣子,你不想知道里面藏着什么吗?而且借助黑洞,能让我们了解更多自然的奥秘。比如我们之前就是借由两个黑洞合并,才首次证实引力波的存在。这次我们得到黑洞的“照片”,也能解答很多疑问。例如能让我们更深入理解爱因斯坦的广义相对论,对其作出最为严格的限制。还有,科学家之前发现,黑洞不仅能“捕捉”光线和一切“路过”的物质,而且也有抛射气体的喷流现象——一部分气体在掉入黑洞视界面之前,在磁场的作用下被沿转动方向抛射出去,形成非常壮观的喷流现象。但我们对喷流的形成机制等情况并不清楚,希望这次能告诉我们更多视界面的细节,为我们研究相关问题提供更多证据。

中国科学家为何没有参与其中

记者:这次视界面望远镜拍摄黑洞应该算是国际天文学界的大事了,中国科学家有参与吗?

苟利军:据我所知,中国科学家没有直接参与观测。不过8个望远镜中有一个属于东亚天文台,这个天文台位于美国夏威夷,是中国科学院国家天文台、韩国天文与空间科学研究所、日本国立天文台和中国台湾“中研院”天文与天体物理研究所共同管理和运行的。

记者:那中国科学家为什么没有深度参与这个项目呢?

苟利军:为了这5天的观测,科学家们已经准备了十多年。一开始是美国和欧洲的科学家在分头进行类似的这个项目,后来发觉独立利用各自的望远镜达不到所需要的分辨率,然后两者就合并形成了现在的这个视界面望远镜组织,而中国科学家一直没有直接参与这个项目。

同时,天文观测高度依赖仪器设备。我们前面说过,观测黑洞是件很难的事,Sgr A*黑洞距离地球25000光年,约为24亿亿公里。虽然它的视界面约为2400万公里,但观测这个黑洞就像我们在地球上用肉眼看月球表面放的橘子。在这次观测中,有个望远镜尤其重要,一个是位于智利的ALMA毫米望远镜阵列,它在2013年才全部建成投入运行,它的灵敏度是目前单阵列中最高的,将视界面的望远镜探测光子的灵敏度提高了至少10倍,而且它所在的位置是地球上最佳的观测地点,它的观测时间也非常宝贵。另外一个望远镜是位于南极洲的望远镜,它极大地增加了望远镜的分辨率。正是因为这两个望远镜的强力加入才让这一项目成为可能。

中国过去观测设备与国际先进水平相比是有差距的,比如这次用的太赫兹频段射电望远镜在我国只有两个,一个在德令哈、一个在羊八井。因为尺寸有限,即便它们加入虚拟望远镜系统,可能对提高其空间分辨率的贡献也不大。而8台望远镜要在同一时间进行观测,需要用到相干技术,比如观测之前要对所有望远镜进行校准,可能还要对终端设备进行升级,不仅需要资金,也有很多技术难题,可能在这些方面我们还有差距。

记者:作为中国研究黑洞的科学家,您没有参与到这一项目,会不会觉得有些遗憾?

苟利军:当然觉得遗憾。不过现在天文领域国际化合作越来越多,中国也在积极参加,我们希望通过国际合作缩短差距。比如国际上计划建设的最新一代30米口径光学望远镜,我们国家天文台也参与了。

中国也在不断提高自己的观测能力和观测水平,比如贵州的500米口径射电望远镜等。

有人曾质疑我们目前在建或计划建设的望远镜的水平落后于国际先进水平,但核心技术是买不来的,只能靠自己攻关,必须一步一步来。我们可以快走几步,尽快赶上来。

我相信,随着中国天文观测能力、水平的提高,这种遗憾会越来越少,中国科学家将为科学的发展作出更大贡献。

(图片由Nature自然科研提供,因翻译原因,图中“事件视界”即为文中“视界面”。)

■成果预期

解释喷流的形成:喷流是宇宙中最为壮丽的景象之一——某些超大质量黑洞以接近光速向星际空间喷射的巨大粒子喷流。其中某些黑洞,包括M87,喷流长度甚至超过它们所在星系的跨度。但又不全是如此,比如Sgr A*的喷流或许因为太小或太微弱,以至于至今没有被发现。虽然科学家们至今不清楚喷流的成分,但看上去它们在宇宙的演化中扮演着突出角色,特别是通过加热星际间物质,喷流可以防止物质冷却形成星球,从而阻止星系的生长。科学家们希望这一次能够解释是不是黑洞自旋为射流提供了能量源。

验证爱因斯坦引力理论:观察视界面的大小和形状,将能够首次在超大质量黑洞周围的极端空间验证爱因斯坦的引力理论。这将跟进去年激光干涉引力波天文台LIGO的历史性发现。物理学家评论:“我们在观测一个我们不一定知道其物理规律的空间。”

找到不同于黑洞的未知物体:理论学家给出了一系列不同的理论,来解释当物质因为自重塌缩时可能会发生的情景。其中某些理论认为这并不会形成黑洞,因为引力导致的塌缩会在恒星残骸越过“无法折返”的临界点前停止。这有可能形成一种极其致密的星球,而EHT或许可以探测到源自其坚硬表面的辐射。但是安达卢西亚天体物理所的天体物理学家认为,能找到这类天体实属碰运气,“我有些怀疑这次观测能否分辨经典黑洞和更为奇异的天体”。

(本报记者 齐芳)

 
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