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科學(xué)家將公布首批照片證明黑洞存在(組圖)
科學(xué)家將公布首批照片證明黑洞存在(組圖)


人馬座A星,科學(xué)家希望不久能看到人馬座A星黑洞的黑色輪廓
  中評(píng)社香港5月27日電/據(jù)英國《新科學(xué)家》雜誌報(bào)道,美國一個(gè)研究小組日前表示,他們有望在未來幾個(gè)月公布一組證明黑洞存在的照片,首次揭開這個(gè)神秘物體的廬山真面目。 

  對(duì)廣義相對(duì)論最嚴(yán)格檢驗(yàn)  

  銀河系中心有一片陰影,科學(xué)家一直認(rèn)為,我們看到的陰影其實(shí)是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞留下的。在那裡,引力規(guī)則是至高無上的,周圍的光線被吞噬,將空間結(jié)構(gòu)拉伸到拐點(diǎn)。黑洞也許是最大膽的科學(xué)預(yù)測(cè),縱然我們可以繪制出理論上的黑洞圖片,找到許多看似黑洞的天體的證據(jù),但迄今從來沒有人真正看見過黑洞。  

  這一切或許會(huì)在幾個(gè)月內(nèi)改變。天文學(xué)家正在整合地球上多臺(tái)微波望遠(yuǎn)鏡資源,將其變成迄今最精確的天文觀測(cè)儀器。他們會(huì)將這只“大眼”轉(zhuǎn)向銀河系中心一個(gè)超大質(zhì)量黑洞所在位置,即代號(hào)為“人馬座A星”(Sag A)的黑洞。即便目前尚未建成,但這個(gè)“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(gè)由美國麻省理工學(xué)院赫斯塔克天文臺(tái)(Haystack Observatory)天文學(xué)家舍普.多爾曼(Shep Doeleman)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)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(tuán)隊(duì)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(zhì),勾畫出黑洞遭扭曲的時(shí)空畫面。通過這些數(shù)據(jù),科學(xué)家將得到黑洞形成和發(fā)展過程的信息。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)還會(huì)是迄今對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論的最嚴(yán)格檢驗(yàn)。廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)了黑洞的存在。如果廣義相對(duì)論是錯(cuò)誤的,多爾曼的團(tuán)隊(duì)可能根本看不到黑洞,而是更加奇怪的東西。  

  質(zhì)量相當(dāng)於450萬個(gè)太陽  

  我們確信無疑的一點(diǎn)是,一個(gè)龐大的神秘天體隱藏於銀河系中心——因?yàn)樗鼜?qiáng)大的引力影響著附近恒星和氣體的運(yùn)動(dòng)。這一神秘天體的質(zhì)量是太陽的450萬倍,湧進(jìn)了一個(gè)大小相當(dāng)於內(nèi)太陽系的區(qū)域。讓物質(zhì)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(zhì)量黑洞均高度不穩(wěn)定。所以,科學(xué)家認(rèn)為最好的解釋就是超大質(zhì)量黑洞。  

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

  當(dāng)然,黑洞自身確實(shí)不會(huì)發(fā)光,但它可以吞噬光。這是我們希望可以看到的結(jié)果:黑洞周圍氣體發(fā)出的光被吞噬,這樣一來,在熾熱的發(fā)光氣體的背景下,黑洞就成了一個(gè)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?yàn)槲覀円琅f會(huì)在黑洞前面看到光和氣體釋放的其他放射物。另外,陰影範(fàn)圍十分小。  

  按照愛因斯坦相對(duì)論的解釋,一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)於450萬個(gè)太陽的超大質(zhì)量黑洞的直徑應(yīng)該為2700萬公里,即便其引力會(huì)讓附近光線彎曲,看上去是真正大小的兩倍,但這個(gè)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(gè)出現(xiàn)在月球上的足球,或是整條手臂上的一個(gè)細(xì)菌。

  
錢德拉望遠(yuǎn)鏡照片顯示人馬座A星是X射線的源頭
  
  初期研究結(jié)果令人失望  

  普通望遠(yuǎn)鏡根本看不到這種小黑點(diǎn)。於是,多爾曼正通過一種成熟的技術(shù)“甚長基線干涉測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來,天文學(xué)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(yuǎn)鏡生成的圖像可能並不理想,但它卻可以揭示更多的細(xì)節(jié)。  

  以前VLBI望遠(yuǎn)鏡對(duì)銀河系中心的觀測(cè)距離太遙遠(yuǎn),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(qū)域,在那裡,大量氣體驅(qū)散無線電波。哈佛大學(xué)天體物理學(xué)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?!备愀獾氖?,黑洞周圍的氣體對(duì)大多數(shù)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(cè)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(yùn)的是,如果望遠(yuǎn)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(nèi)的面紗。另外,從理論上講,如果一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的天線分布於數(shù)千公里的範(fàn)圍內(nèi),其清晰度足以看到黑洞陰影。事實(shí)上,天線之間間隔越大,清晰度越好。  

  多爾曼的團(tuán)隊(duì)在對(duì)VLBI望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行改進(jìn)後,令其可以在1.3毫米超短波範(fàn)圍內(nèi)工作。2007年4月,他們利用架設(shè)在亞利桑那州、加利福尼亞州和夏威夷州三地山頂?shù)耐h(yuǎn)鏡眺望太空,但觀測(cè)結(jié)果卻令人失望。儘管它們捕捉到人馬座A星中心區(qū)域的輻射信號(hào),但卻沒有掌握獲取有關(guān)這個(gè)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(shù)據(jù)的兩種模型?!痹诘谝粋€(gè)模型,人馬座A星看上去就像是一個(gè)中心有個(gè)大洞的炸面圈,這或許是個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。不幸的是,他們的觀測(cè)數(shù)據(jù)還顯示一團(tuán)白色的噴射物質(zhì),並無明顯的黑洞陰影。即便如此,這些早期觀測(cè)數(shù)據(jù)也是人馬座A星確屬於黑洞的強(qiáng)烈跡象。據(jù)加拿大多倫多大學(xué)天文學(xué)家艾弗裡.布羅德裡克(Avery Broderick)介紹,研究結(jié)果表明它幾乎肯定具有“事件穹界”,即黑洞的重要特征。  

  事件穹界是事實(shí)上並不存在的邊界,在這一邊界內(nèi),任何物質(zhì)都逃不脫黑洞引力的控制。穿越這一範(fàn)圍的物質(zhì)會(huì)慢慢被吞噬,連輻射物都不會(huì)釋放。有些理論則認(rèn)為,那其實(shí)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(gòu)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(huì)被落在上面的氣體加熱。  

  布羅德裡克同哈佛大學(xué)的羅布和拉梅什.納拉亞(Ramesh Narayan)一道,分析了多爾曼的研究結(jié)果,認(rèn)為如果人馬座A星具有一個(gè)表面,那麼這個(gè)表面可能熱得會(huì)發(fā)光,不斷釋放紅外光。事實(shí)上,天文學(xué)家尚未觀測(cè)到這種發(fā)光現(xiàn)象。他們總結(jié)認(rèn)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(jié)論可能還存在諸多漏洞,所以,真正看到黑洞本身當(dāng)然更好。今年4月,多爾曼重返夏威夷,為增長望遠(yuǎn)鏡的敏感度,他決定嘗試?yán)媚{克亞山頂上的三臺(tái)望遠(yuǎn)鏡而不是以前的一臺(tái)。他在4月3日的一次會(huì)議上表示:“我認(rèn)為,我們今晚已向大家證明我們可以做到這一點(diǎn)?!苯?jīng)過幾個(gè)月的處理,最新觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)該最終會(huì)揭開銀河系中心神秘陰影的廬山真面目。  
 
位於夏威夷的JCMT望遠(yuǎn)鏡
  
  多架望遠(yuǎn)鏡協(xié)同“作戰(zhàn)” 

  發(fā)現(xiàn)第一個(gè)昏暗的污點(diǎn)將只是一個(gè)開始。杜勒曼希望使用更短同時(shí)更為“鋒利”的0.87毫米波長。與此同時(shí),越來越多的望遠(yuǎn)鏡也將聯(lián)合起來,幫助研究人員進(jìn)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(qū),在這裡,阿塔卡馬大型毫米/次毫米望遠(yuǎn)鏡陣列(以下簡稱ALMA)正在製造之中。據(jù)悉,所有66個(gè)碟形衛(wèi)星天線將於2012年竣工並投入使用。杜勒曼說:“重達(dá)800磅的ALMA將成為‘微波眼’的新主力成員?!蓖ㄟ^與地球上的其它望遠(yuǎn)鏡相配合,ALMA能夠提供一幅更為清晰的Sag A圖片,同時(shí)也可能發(fā)現(xiàn)M87星系內(nèi)一個(gè)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?qū)⒛抗饩劢箷r(shí)間變異性。”在很多波長條件下進(jìn)行的觀測(cè)揭示了盤旋在Sag A周圍的氣體產(chǎn)生的輻射突然爆發(fā)。利用甚長基線干涉測(cè)量法,杜勒曼希望對(duì)這些盤旋的並且實(shí)時(shí)被穹界吞噬的小閃光進(jìn)行觀測(cè)。他說:“這可能是這部影片的最珍貴的鏡頭’?!?nbsp; 

  旋轉(zhuǎn)成關(guān)注焦點(diǎn)  

  這種觀測(cè)能夠揭示研究人員急於想知道的一個(gè)有關(guān)黑洞的問題,即它們的旋轉(zhuǎn)。相對(duì)論指出,一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞將在太空結(jié)構(gòu)中形成一個(gè)漩渦,這種現(xiàn)象被稱之為“引力框架拖曳”。距離黑洞較近的熱點(diǎn)將被拖進(jìn)這個(gè)漩渦,這些熱點(diǎn)的移動(dòng)將暴露Sag A的旋轉(zhuǎn)速度。此外,我們也可因此了解這顆黑洞的過去,原因在於:它的旋轉(zhuǎn)依靠其吞噬的使之成為當(dāng)前“重量級(jí)”黑洞的物質(zhì)。  

  牛津密西西比大學(xué)的伊曼紐爾.伯蒂(Emanuele Berti)以及安娜堡密歇根州大學(xué)的馬爾塔.沃倫特裡(Marta Volonteri)對(duì)黑洞一些不同“食物”產(chǎn)生的影響進(jìn)行了計(jì)算。Sag A在成長過程中可能遵循一個(gè)穩(wěn)定的“飲食”結(jié)構(gòu),即吞噬星系氣體。星系氣體共享星系的所有旋轉(zhuǎn),在逐漸靠近黑洞過程中形成一個(gè)螺旋運(yùn)動(dòng)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(shí),它的旋轉(zhuǎn)便成為黑洞的一部分。如果Sag A的絕大多數(shù)重力都以這種方式增長,它的旋轉(zhuǎn)可以提升到相對(duì)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(jī)定向的旋轉(zhuǎn)在很大程度上彼此抵消,也就是說,Sag A的旋轉(zhuǎn)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(gè)星系帶來自己的大質(zhì)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(jīng)常只需適度的旋轉(zhuǎn)便可形成一個(gè)黑洞。  

  廣義相對(duì)論面臨挑戰(zhàn)  

  當(dāng)然了,所有這些均建立在假設(shè)愛因斯坦廣義相對(duì)論成立基礎(chǔ)之上。在愛因斯坦提出這一理論幾乎過了一個(gè)世紀(jì)之後,廣義相對(duì)論仍舊是我們有關(guān)重力的最理想理論,並且與行星軌道以及引力透鏡效應(yīng)的精確觀測(cè)結(jié)果相匹配。布羅德裡克說:“廣義相對(duì)論的完美程度幾乎達(dá)到令人為難的程度?!?nbsp; 

  但科學(xué)家從未在黑洞附近的超強(qiáng)引力條件下驗(yàn)證這一理論,此時(shí)的廣義相對(duì)論預(yù)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(diǎn)在扭曲空間的移動(dòng),對(duì)廣義相對(duì)論進(jìn)行修訂。他說:“最理想的方式就是讓一名大學(xué)生手持激光指示器進(jìn)入星系中心。如果這些閃光真的出現(xiàn),我們便可用它們替代?!?nbsp; 

  通過確定Sag A附近時(shí)空準(zhǔn)確形態(tài),這部有關(guān)閃光的電影便可將相對(duì)性和一些相競(jìng)爭理論——用於解釋恒星與星系的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)更多地與暗物質(zhì)和暗能量有關(guān)——區(qū)分開來。與相對(duì)性相競(jìng)爭的理論包含一些複雜的想法,例如標(biāo)量-張量-矢量引力以及f(R)引力。  

  杜勒曼4月進(jìn)行的最新觀測(cè)能否發(fā)現(xiàn)一些奇怪的事情?穹界是否擁有一個(gè)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(gè)問題?!币环N可能性是,在超強(qiáng)引力情況下,相對(duì)論是完全錯(cuò)誤的。另一種可能性是,銀河系中心的“怪物”Sag A要比我們認(rèn)為的更為昏暗。 


M87星系將成為黑洞研究的焦點(diǎn)
 
NGC 5128星系


 位於美國加州的CARMA望遠(yuǎn)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

位於智利的ALMA陣列

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