2019年,最值得期待的科学突破将是?

作者: Ethan Siegel

来源: https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/12/11/2019s-science-breakthrough-of-the-year-will-show-us-a-black-holes-event-horizon/#1d5da7fb10ae

发布日期: 2018-12-31

2019年最值得期待的科学突破是首次拍摄到黑洞事件视界的第一张图片。通过事件视界望远镜(EHT),科学家们将能够获得超高分辨率的黑洞图像,这将验证广义相对论的预测,并解决许多关于黑洞的基本问题。

2018年我们取得了许多突破性的进展,但还有许多基本的大问题依然困扰着我们。2019年,有许多值得期待的科学事件,但最值得期待或许还是我们即将看到黑洞事件视界的第一张图片。随着时间的流逝,人类积累的知识总量只会不断增加。2015年初,人类还从未探测到引力波;而现在,我们已经探测到了11个,预计2019年可能还会发现数百个。

在20世纪90年代初,我们不知道太阳系外是否有行星;今天,我们知道有成千上万颗这样的星球,其中一些几乎可以被认为是与地球类似的。我们已经找到了标准模型中的所有粒子;我们发现宇宙不仅在膨胀,而且在加速膨胀;我们已经确定了宇宙中存在多少星系。但2019年,一件前所未有的新的事情将会发生:我们将首次描绘出黑洞的事件视界。所有的数据都已就位,剩下的只是时间问题。

2019年,事件视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)将首次拍摄到这颗银河系中央黑洞的事件视界的样子。一旦知道要寻找什么,黑洞是相当容易被探测到的物体。这似乎有违直觉,因为黑洞本身不发光,但它们确实有三个确凿无疑的特征,使我们满怀信心地确定它们就在那里。黑洞在非常小的空间中产生巨大的引力——空间的扭曲/弯曲。

如果我们能观测到大而致密的质量的引力效应,我们就能推断出黑洞的存在,并有可能测量它的质量。黑洞强烈影响着它们周围的环境。它附近的任何物质不仅会感受到强烈的潮汐力,而且会加速和升温,导致它从事件视界外发出辐射。当我们探测到这种辐射时,我们可以重建为之提供能量的物体的属性,而这通常只能用黑洞来解释。

黑洞的引力是如此的强大,以至于连光进入到它的掌控范围都无法逃脱。黑洞的基本结构包括了隐藏在一个事件视界内的奇点。在事件视界内,逃逸速度(V逃逸)超过了光速(c),因此一旦物体落入就永远被困住了。黑洞可以彼此旋进,并最终合并在一起,导致它们在短时间内释放出可探测到的引力波。这只能用引力波天文学这项新科学来探测。

事件视界望远镜(EHT)的目标是比这些方法更进一步。不像以上的三种手段,它并不是通过测量来间接推断黑洞的性质,而是直击核心——拍摄黑洞事件视界的图像。这样做的方法简单而直接,但从技术角度而言,这直到最近才成为可能。原因是两个在天文学中通常密切相关的重要因素的结合:分辨率和光收集。

事件视界望远镜是一个由15-20个望远镜组成的网络,这些望远镜分布在地球上许多不同的大陆上,从南极洲到欧洲、南美洲、非洲、北美洲、大洋洲,以及太平洋上的一些岛屿。总而言之,阵列中距离最远的望远镜相距12000公里。这转化为分辨率就是15微角秒,如果一只苍蝇位于400000公里之外的月球上,那么它看起来就是这么小。

事件视界望远镜的工作原理是,利用大量的射电望远镜同时观测这些黑洞,这使我们能够重建一个超高分辨率的图像,无论观测的是什么物体,只要收集到足够的光来观测它。以前,许多天文台已经证实了这个概念,例如大型双筒望远镜(Large Binocular Telescope),它成功地拍摄到了木星的卫星——木卫一(Io)上火山爆发的图像。

因此,让事件视界望远镜工作的关键是,确保我们收集到足够的光线来观察黑洞事件视界投射出的阴影,同时成功地对来自黑洞周围和后面的光进行成像。黑洞会加速物质,带电粒子的加速不仅会产生磁场,如果带电粒子在磁场的存在下加速,还会产生辐射。最安全的选择是查看频谱的射电部分,也就是能量最低的部分。所有加速物质的黑洞都应该会发射射电波,我们从银河系中心和M87星系的中心都看到过它们。

能够构造这些图像的技术革命来自于ALMA:阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列。66台射电望远镜组成一个难以置信的网络,所有的射电望远镜本身都是巨大的,通过测量这种长波段的光(无线电波)来揭示前所未有的天文细节。

到2019年,当(来自观察这些黑洞的所有不同的天文台的)所有27拍字节(PB,相当于10^15B)的数据汇集在一起,得到全面分析后,将会带来什么呢?事件视界会像广义相对论预言的那样出现吗?有一些不可思议的事情需要测试:黑洞的大小是否与广义相对论预测的一样;事件视界是圆的(如预测的那样),还是扁的或延长的;射电辐射是否延伸比我们想象的要远;或者,是否会出现与预期行为偏差的事情。

尽管事件视界望远镜团队已经探测到了银河系中心的黑洞周围的结构,我们仍然没有直接的图像。这需要理解我们的大气以及其中发生的变化,结合数据,编写新的算法来共同处理它们。这项工作正在进行中,但预期将在2019年上半年获得第一批的图像。

我们中的一些人希望今年甚至去年就能得到图像,但最重要的是科学家需要花时间和精力确保得到最正确的结果。当最终获得这些图像时,人们将不再怀疑黑洞是否存在,以及它们是否具有爱因斯坦伟大的理论所预言的那些性质。2019年,必将是事件视界的一年!

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