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[多圖]美科學家將公佈首批照片證明黑洞存在

2015年09月21日 中外名將盤點, 宇宙奧秘-長篇 暫無評論 閱讀 442 次

美科學家將公佈首批照片證明黑洞存在(組圖)
 
人馬座A星,科學家希望不久能看到人馬座A星黑洞的黑色輪廓
 
美科學家將公佈首批照片證明黑洞存在(組圖)
 
錢德拉望遠鏡照片顯示人馬座A星是X射線的源頭
 
美科學家將公佈首批照片證明黑洞存在(組圖)
 
M87星系將成為黑洞研究的焦點
 
美科學家將公佈首批照片證明黑洞存在(組圖)
 
M104星系也被認為有一個大黑洞
 
美科學家將公佈首批照片證明黑洞存在(組圖)
 
NGC 5128星系

  據英國《新科學家》雜誌報道,美國一個研究小組日前表示,他們有望在未來幾個月公佈一組證明黑洞存在的照片,首次揭開這個神秘物體的廬山真面目。


  對廣義相對論最嚴格檢驗


  銀河系中心有一片陰影,科學家一直認為,我們看到的陰影其實是一個超大質量黑洞留下的。在那裡,引力規則是至高無上的,周圍的光線被吞噬,將空間結構拉伸到拐點。黑洞也許是最大膽的科學預測,縱然我們可以繪製出理論上的黑洞圖片,找到許多看似黑洞的天體的證據,但迄今從來沒有人真正看見過黑洞。


  這一切或許會在幾個月內改變。天文學家正在整合地球上多台微波望遠鏡資源,將其變成迄今最精確的天文觀測儀器。他們會將這只「大眼」轉向銀河系中心一個超大質量黑洞所在位置,即代號為「人馬座A星」(Sag A)的黑洞。即便目前尚未建成,但這個「微波巨眼」已拍攝到一張人馬座A星的迷人靚照。


  去年9月,一個由美國麻省理工學院赫斯塔克天文台(Haystack Observatory)天文學家捨普·多爾曼(Shep Doeleman)領導的一個研究團隊發表了多篇論文,足以證明人馬座A星黑洞的存在。


  多爾曼及其團隊希望我們不久能看到人馬座A星黑洞的黑色輪廓。接著,他們希望看到墜向黑洞的物質,勾畫出黑洞遭扭曲的時空畫面。通過這些數據,科學家將得到黑洞形成和發展過程的信息。這些觀測數據還會是迄今對愛因斯坦廣義相對論的最嚴格檢驗。廣義相對論預測了黑洞的存在。如果廣義相對論是錯誤的,多爾曼的團隊可能根本看不到黑洞,而是更加奇怪的東西。


  質量相當於450萬個太陽


  我們確信無疑的一點是,一個龐大的神秘天體隱藏於銀河系中心——因為它強大的引力影響著附近恆星和氣體的運動。這一神秘天體的質量是太陽的450萬倍,湧進了一個大小相當於內太陽系的區域。讓物質以如此緊密聚在一起的辦法十分罕見。一大群中子星或小質量黑洞均高度不穩定。所以,科學家認為最好的解釋就是超大質量黑洞。


  超大質量黑洞被認為處於多數大星系的中心。在一些所謂的活動星系,大量氣體被捲入黑洞,在黑洞周圍形成一圈熾熱物質,常常令周圍數十億顆恆星變得黯然失色。我們的銀河系顯然就沒有黑洞那麼好運氣,只能依靠附近恆星噴射的一層稀薄的氣體存活。隨著氣體向黑洞方向運轉,它會加熱並照亮黑洞,儘管看上去遠比活動星系內的圓盤狀物體昏暗。此時,從無線電到X光線,各類電磁輻射物噴射而出,場面蔚為壯觀。


  當然,黑洞自身確實不會發光,但它可以吞噬光。這是我們希望可以看到的結果:黑洞周圍氣體發出的光被吞噬,這樣一來,在熾熱的發光氣體的背景下,黑洞就成了一個陰影或輪廓。看到這片陰影絕非易事。它沒有輪廓鮮明的邊緣,因為我們依舊會在黑洞前面看到光和氣體釋放的其他放射物。另外,陰影範圍十分小。


  按照愛因斯坦相對論的解釋,一個質量相當於450萬個太陽的超大質量黑洞的直徑應該為2700萬公里,即便其引力會讓附近光線彎曲,看上去是真正大小的兩倍,但這個黑洞看上去仍舊非常小。從地球上看去,這可能覆蓋大約50微角秒(micro-arcsecond)的角度——這好比一個出現在月球上的足球,或是整條手臂上的一個細菌。


  初期研究結果令人失望


  普通望遠鏡根本看不到這種小黑點。於是,多爾曼正通過一種成熟的技術「甚長基線干涉測量法」(very long baseline interferometry)探尋這種可能性。通過將全球各地天線的觀測數據結合起來,天文學家可以有效重建大型天線看到的物體——即便像地球一樣大的物體。由於小天線很少搜集光,VLBI望遠鏡生成的圖像可能並不理想,但它卻可以揭示更多的細節。


  以前VLBI望遠鏡對銀河系中心的觀測距離太遙遠,根本看不清楚黑洞的陰影。最初,我們將穿透銀河系最擁擠的區域,在那裡,大量氣體驅散無線電波。哈佛大學天體物理學家艾維·羅布(Avi Loeb)說:「看上去就像是濃密的大霧令街燈的照片顯得很模糊。」更糟糕的是,黑洞周圍的氣體對大多數波長來說都是不透明的,這猶如給陰影上蒙上了一層紗。


  圖像的清晰度基本上取決於觀測到的輻射物的波長,波越長並沒有讓我們獲得更清晰的照片,相反更模糊。幸運的是,如果望遠鏡可以在波長為1毫米左右的情況下工作,那麼上述問題全都迎刃而解。這種短波輻射可以穿透星際薄霧和氣體內的面紗。另外,從理論上講,如果一台望遠鏡的天線分佈於數千公里的範圍內,其清晰度足以看到黑洞陰影。事實上,天線之間間隔越大,清晰度越好。


  多爾曼的團隊在對VLBI望遠鏡進行改進後,令其可以在1.3毫米超短波範圍內工作。2007年4月,他們利用架設在亞利桑那州、加利福尼亞州和夏威夷州三地山頂的望遠鏡眺望太空,但觀測結果卻令人失望。儘管它們捕捉到人馬座A星中心區域的輻射信號,但卻沒有掌握獲取有關這個黑洞清晰照片的足夠信息。


  揭開神秘陰影廬山真面目


  多爾曼說:「我們具有匹配這一數據的兩種模型。」在第一個模型,人馬座A星看上去就像是一個中心有個大洞的炸面圈,這或許是個超大質量的黑洞。不幸的是,他們的觀測數據還顯示一團白色的噴射物質,並無明顯的黑洞陰影。即便如此,這些早期觀測數據也是人馬座A星確屬於黑洞的強烈跡象。據加拿大多倫多大學天文學家艾弗裡·布羅德裡克(Avery Broderick)介紹,研究結果表明它幾乎肯定具有「事件穹界」,即黑洞的重要特徵。


  事件穹界是事實上並不存在的邊界,在這一邊界內,任何物質都逃不脫黑洞引力的控制。穿越這一範圍的物質會慢慢被吞噬,連輻射物都不會釋放。有些理論則認為,那其實不是黑洞,而是稱為玻色星體(boson star)的、由大量重量很輕的顆粒構成的球體,它們可能具有物理表面而非邊界。這些表面可能會被落在上面的氣體加熱。


  布羅德裡克同哈佛大學的羅布和拉梅什·納拉亞(Ramesh Narayan)一道,分析了多爾曼的研究結果,認為如果人馬座A星具有一個表面,那麼這個表面可能熱得會發光,不斷釋放紅外光。事實上,天文學家尚未觀測到這種發光現象。他們總結認為,事件穹界給人馬座A星蒙上了一層外衣,讓我們根本看不到裡面的東西。


  這一結論可能還存在諸多漏洞,所以,真正看到黑洞本身當然更好。今年4月,多爾曼重返夏威夷,為增長望遠鏡的敏感度,他決定嘗試利用莫納克亞山頂上的三台望遠鏡而不是以前的一台。他在4月3日的一次會議上表示:「我認為,我們今晚已向大家證明我們可以做到這一點。」經過幾個月的處理,最新觀測數據應該最終會揭開銀河系中心神秘陰影的廬山真面目。

  多架望遠鏡協同「作戰」


美科學家將公佈首批照片證明黑洞存在(組圖)(2)
 
位於美國加州的CARMA望遠鏡陣列,由6具10.4米直徑,9具6.1米直徑,8具3.5米直徑的天線組成
 
美科學家將公佈首批照片證明黑洞存在(組圖)(2)
 
位於夏威夷的JCMT望遠鏡
 
美科學家將公佈首批照片證明黑洞存在(組圖)(2)
 
位於智利的ALMA陣列

  發現第一個昏暗的污點將只是一個開始。杜勒曼希望使用更短同時更為「鋒利」的0.87毫米波長。與此同時,越來越多的望遠鏡也將聯合起來,幫助研究人員進一步揭開這顆黑洞的神秘面紗。


  地球「微波眼」的中心將位於智利的山脈沙漠地區,在這裡,阿塔卡馬大型毫米/次毫米望遠鏡陣列(以下簡稱ALMA)正在製造之中。據悉,所有66個碟形衛星天線將於2012年竣工並投入使用。杜勒曼說:「重達800磅的ALMA將成為『微波眼』的新主力成員。」通過與地球上的其它望遠鏡相配合,ALMA能夠提供一幅更為清晰的Sag A圖片,同時也可能發現M87星系內一個更為龐大的黑洞。


  形象地說,ALMA也能為我們拍攝一部黑洞電影。杜勒曼說:「最令我感到興奮的是,我們能夠將目光聚焦時間變異性。」在很多波長條件下進行的觀測揭示了盤旋在Sag A周圍的氣體產生的輻射突然爆發。利用甚長基線干涉測量法,杜勒曼希望對這些盤旋的並且實時被穹界吞噬的小閃光進行觀測。他說:「這可能是這部影片的最珍貴的鏡頭』。」


  旋轉成關注焦點


  這種觀測能夠揭示研究人員急於想知道的一個有關黑洞的問題,即它們的旋轉。相對論指出,一個旋轉的黑洞將在太空結構中形成一個漩渦,這種現象被稱之為「引力框架拖曳」。距離黑洞較近的熱點將被拖進這個漩渦,這些熱點的移動將暴露Sag A的旋轉速度。此外,我們也可因此瞭解這顆黑洞的過去,原因在於:它的旋轉依靠其吞噬的使之成為當前「重量級」黑洞的物質。


  牛津密西西比大學的伊曼紐爾·伯蒂(Emanuele Berti)以及安娜堡密歇根州大學的馬爾塔·沃倫特裡(Marta Volonteri)對黑洞一些不同「食物」產生的影響進行了計算。Sag A在成長過程中可能遵循一個穩定的「飲食」結構,即吞噬星系氣體。星系氣體共享星系的所有旋轉,在逐漸靠近黑洞過程中形成一個螺旋運動速度越來越快的盤,就像水從放水孔流出一樣。在星系氣體完全被吞噬時,它的旋轉便成為黑洞的一部分。如果Sag A的絕大多數重力都以這種方式增長,它的旋轉可以提升到相對論可能允許的最大值。


  此外,Sag A也可能通過吞噬任意軌道附近大量資源的氣體逐漸成長壯大。這些「食物」隨機定向的旋轉在很大程度上彼此抵消,也就是說,Sag A的旋轉速度可能很低。另一種可能性是,Sag A分層次成長,就像體積較小的星系合併形成銀河系一樣。每一個星系帶來自己的大質量黑洞,所有這些黑洞合併在一起,最終形成Sag A。在伯蒂和沃倫特裡的模擬中我們看到,經常只需適度的旋轉便可形成一個黑洞。


  廣義相對論面臨挑戰


  當然了,所有這些均建立在假設愛因斯坦廣義相對論成立基礎之上。在愛因斯坦提出這一理論幾乎過了一個世紀之後,廣義相對論仍舊是我們有關重力的最理想理論,並且與行星軌道以及引力透鏡效應的精確觀測結果相匹配。布羅德裡克說:「廣義相對論的完美程度幾乎達到令人為難的程度。」


  但科學家從未在黑洞附近的超強引力條件下驗證這一理論,此時的廣義相對論預言面臨最為極端的一種情況。布羅德裡克希望通過跟蹤熱點在扭曲空間的移動,對廣義相對論進行修訂。他說:「最理想的方式就是讓一名大學生手持激光指示器進入星系中心。如果這些閃光真的出現,我們便可用它們替代。」


  通過確定Sag A附近時空準確形態,這部有關閃光的電影便可將相對性和一些相競爭理論——用於解釋恆星與星系的不規則運動更多地與暗物質和暗能量有關——區分開來。與相對性相競爭的理論包含一些複雜的想法,例如標量-張量-矢量引力以及f(R)引力。


  杜勒曼4月進行的最新觀測能否發現一些奇怪的事情?穹界是否擁有一個奇怪的形狀?又或者一無所獲。布羅德裡克說:「在此之後,我們便要面臨一個問題。」一種可能性是,在超強引力情況下,相對論是完全錯誤的。另一種可能性是,銀河系中心的「怪物」Sag A要比我們認為的更為昏暗。


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