黑洞你好:第一次拍到你前,我已经无数次描绘过你的样子

作者: 刘博洋

来源: 果壳

发布日期: 2019-04-10

文章详细描述了人类首次拍摄到黑洞照片的过程和感受,以及黑洞理论的发展历史和观测技术的进步。

在黑洞第一张照片面世的新闻发布会上,有记者这样向研究组的成员提问:终于得到黑洞的第一张照片的时候,你们是什么感受,有没有开Party,有没有激动得热泪盈眶?“我真的流泪了。”“说实话,有点震惊。我们可能会见到模糊的东西,我们的确见到了。我们可能会看到之前没有预料到的东西……但是没有任何超出意料的东西。“毕竟,我们已经在心目中,将黑洞描绘了将近100年。

100年前的1919年,爱丁顿远征西非观测日全食,验证了爱因斯坦的预言:质量确实可以令时空弯曲。52年前的1967年,惠勒第一次提出“黑洞”一词,用以指称一种只在理论上存在的、极端致密、令时空无限弯曲的天体。2019年4月10日,我们终于亲眼目睹黑洞存在的直接证据:横跨地球直径的8台望远镜强强联手,组成史诗般的“事件视界望远镜”,奉上了人类的第一张黑洞照片——EHT拍到的M87中心黑洞照片。

一个世纪的求索,我们终于等到了今天。

1915年,爱因斯坦用他天才的物理直觉,提出广义相对论,颠覆了人类对时空本质的认知。我们可以借惠勒之言概括广义相对论的精髓:“时空决定物质如何运动,物质决定时空如何弯曲。”宇宙万物,原本被认为只是广袤时空舞台上的演员,在广义相对论的世界里,却成为舞台本身的建构师。广义相对论给出很多重要的预言,其中很多在刚问世时,都显得过分光怪陆离,让人不敢相信。

然而100年来,这些预言逐一获得实验和观测的证实,让爱因斯坦取得物理学史中至高无上的地位。

1916年,广义相对论提出仅仅一年之后。一个名叫卡尔·史瓦西的德国天文学家,在第一次世界大战的前线战地医院卧病时,写下一篇探索广义相对论的论文。他给出了广义相对论中,描述时空性质的“爱因斯坦场方程”的第一个精确解。

他指出,对于任何物体,都有一个与其质量相对应的半径,如果将其全部质量压缩到这个半径内,这些物质就将无止尽的向中心掉落,形成一个时空极端弯曲的奇点。这个半径,后来被称作“史瓦西半径”。任何物质,包括光,都无法从史瓦西半径内逃出。

2000年,德国天文学家 Heino Falcke 对怎样观测黑洞视界面做了一番分析:首先,恒星级黑洞实在是太小:距离我们最近的一个恒星质量黑洞、X射线双星A0620-00,距离3500光年,大小40千米。这样其视直径只有万分之一个微角秒(10的-10次方角秒)数量级,远远超出了任何观测手段的能力。前文已经提到,黑洞按质量可以分为两类:恒星级黑洞和星系中心的超大质量黑洞。

后者的质量往往可以达到数百万到数十亿倍太阳质量。由于黑洞的史瓦西半径大小与质量成正比,因此要直视超大质量黑洞,比恒星级黑洞要容易很多。

最终,在2017年4月的4个观测夜,“事件视界望远镜”对银河系和M87中央黑洞进行了观测。经过两年的数据处理,我们终于等到了文首的那张照片:第一次获取黑洞视界面附近区域的影像,是足以载入史册的成就。在兴奋之余不要忘记,M87中央黑洞只是视界面望远镜的两位主角之一。现在我们更有理由期待,事件视界望远镜给银河系中央黑洞“拍摄”的图像,会给我们带来更多惊喜。

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