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如何给黑洞拍张照？
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Colin Stuart 文 Shea 编译 |
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2017年，一架地球大小的望远镜将有史以来第一次尝试给一个黑洞拍照，它所获得的图像将会造就或者打破我们已知的物理学定律。 在南极广袤的冰原上有一面射电天线在转动，在智利海拔近5千米的沙漠中另一面天线则在扫描天空。与此同时，位于美国加利福尼亚州、亚利桑那州和夏威夷以及墨西哥和西班牙的天线也在接收来自宇宙的信号。尽管它们彼此间隔遥远，但这些射电天线却一同构成了一个大胆的计划——一架大小与地球本身相当的望远镜。这是事件视界望远镜。到2017年年中，我们就能用它来一睹黑洞的心脏。 普通的黑洞是大质量恒星死亡的遗迹，它们的质量从数倍到数十倍于太阳不等。但黑洞的质量绝不限于此，在星系的核心处潜藏着数百万到数十亿倍于太阳的超大质量黑洞。虽然质量巨大，但黑洞却是宇宙中最致密的天体。这一极端的致密程度使得黑洞具有了令人难以置信的超强引力，能够扭曲其周围的时空结构。在某一个确定的点——事件视界，简称视界——上，黑洞的引力会强大到连光也无法从那里逃逸。因为那里的时空曲率会达到极端的数值，所有逃逸路线最终都会直接“折返”回到黑洞。它们兴许是宇宙中最“恐怖”的天体。  [图片说明]：电影《星际穿越》中黑洞视界附近的计算机模拟图。版权：Paramount Pictures。 挑战广义相对论 对于黑洞视界周围最好的认识来自于爱因斯坦的广义相对论。提出于100多年前，广义相对论的方程组描述了物质是如何扭曲其周围时空结构的。然而，许多物理学家怀疑，在最强的引力场中广义相对论有可能会失效。黑洞的视界也许是宇宙中广义相对论不再灵验的地方。对于寻求将广义相对论和量子理论统一到一起的物理学家来说，发现广义相对论的破绽无疑将会是一条激动人心的好消息。如果广义相对论被证明确有缺陷，这就有可能为一个更深层且更基本的宇宙理论提供线索。 到目前为止，广义相对论以优异的成绩通过了各式各样的检验，其中也包括最近发现的来自黑洞碰撞的引力波。但迄今这些检验还都局限在相对较弱的引力场中。银河系中心黑洞的潮汐力比2015年9月所探测到的黑洞碰撞强1亿倍。这使得超大质量黑洞成为了检验爱因斯坦广义相对论的天然实验室。 其中的关键是要寻找到黑洞的“影子”。由于黑洞的强大引力，光会在它周围环绕打转。由此会形成一个由光子所组成的环。被这个环所包围的阴影区被称为“影子”。爱因斯坦的理论预言它应该大致呈圆形。任何与圆形影子的显著偏差都视为是广义相对论失效的证据。 对此进行检验的最佳对象是银河系中心的超大质量黑洞人马A*。从20世纪90年代中期开始，天文学家们就一直在监测银河系的中心，发现那里的恒星在围绕一个看不见的天体运动。根据这些恒星的运动特性，我们可以推测出银心黑洞的质量高达太阳的400万倍。然而，为了使得这些恒星仍停留其稳定的轨道上，该黑洞的视界必须很小——事实上，银心黑洞的视界半径大约只有水星绕太阳轨道的三分之一。  高分辨率 要想通过人马A*的影子形状来检验广义相对论，唯一的途径就是要能看到在其视界近旁所发生的现象。但这又谈何容易。人马A*的视界不仅本身就很小，而且它还远在26 000光年之外，这让问题变得难上加难。从原理上讲，对于天空中越小的天体，必须要使用更高分辨率的望远镜才能看到。 看到人马A*影子所需的分辨率是哈勃空间望远镜的2 000倍，这相当于要能分辨出月球上的一个柚子。对于望远镜来说，直径越大，其分辨率就越高。因此，构成事件视界望远镜的天线必须要间隔十分遥远。使用被称为甚长基线干涉测量的技术，天文学家可以综合分别位于四大洲的天线所收集到的信号，得到一幅如同一架望远镜所看到的图像，而这架望远镜的直径则与地球相当。 这需要突破现有技术的极限。为了能把这些相距遥远的信号综合到一起，需要使用高精度的原子钟来记录下信号到达不同望远镜的时间。每一秒所记录下的数据量可达64个GB，与一台iPad的容量相当。每一个观测结点会存储下数百TB的数据，然后这些硬盘会被空运到位于美国麻省理工学院的中央机构，在那里它们会合成出一幅图像。  拍摄时空 尽管有许多挑战，但事件视界望远镜项目正在有条不紊地进行，有许多望远镜已经加入其中。第一批观测可以追溯到2006年，此后它一直保持着对人马A*的监测。不过，目前的事件视界望远镜还没有达到直接观测人马A*视界所需的分辨率。但是，情况即将发生改变。位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列很快就会加入进来，此举可以把事件视界望远镜的灵敏度提高10倍。 阿塔卡马阵列由许多面射电天线所构成。天文学家们已经测试了一种将其30个接收机加入事件视界望远镜的办法。2016年4月，他们又前往了事件视界望远镜的不同站点，开展了进一步的试验。整个系统预计会在2017年春就绪。 因此，距离人类第一次直击黑洞视界的样子可能只有1年之遥了，而这不单单能对广义相对论进行检验。银河系中心400万个太阳质量的超大质量黑洞看似巨大，但和星系M87中心70亿个太阳质量的黑洞比起来却相形见绌。M87是一个椭圆星系，从它的中心射出了一道长5 000光年的巨大喷流。此前事件视界望远镜对M87喷流的根部进行了观测，但形成该喷流的机制依然不明。 天文学家认为这是落向黑洞的物质与强磁场相互作用的结果，但对黑洞视界附近的区域进行观测是搞清楚其背后物理机制的关键。天文学家们想知道物质是如何在磁力线的驱动下被喷射出去的，而这目前只能靠猜，但未来随着事件视界望远镜投入使用，将会有机会第一次目睹这一过程的发生。 观测物质在黑洞周围的运动情况，还有助于解释为什么银河系中心的黑洞似乎一直处于“饥饿”状态。它周围的物质只有1%掉入了其视界内部。当物质盘旋着掉入黑洞时，会被加热到极高的温度，发出X射线辐射。因此，如果人马A*一直在狼吞虎咽进食物质的话，银河系中就会充斥着更多的高能辐射，而这显然是不利于生命起源和演化的。 因此，2017年事件视界望远镜的观测不仅能对广义相对论进行最严苛的检验，它甚至还能告诉我们为什么我们能在地球上对其进行检验。 |
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[Focus 2016年6月]
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2001-2017 火流星工作组制作
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