实力科普:为啥没有天文学家用望远镜看见过黑洞？

　　来源：造就微信公众号



　　难以置信地致密、深邃和强大，黑洞体现了物理的极限。没有什么东西可以逃离黑洞，就连光也不行。

　　虽然黑洞激发了人们的想像，比如其他的一些科学概念，但实际上，没有哪位天文学家真的见过黑洞。可以说，我们“听到”过黑洞，科学家已经记录了几十亿年前黑洞彼此碰撞所产生的引力波（时空涟漪）。

　　你见过的那些扭曲时空的黑洞照片其实全是艺术插图。比如这一张：



　　这种情况可能很快将改变。目前，一个叫做“事件视界望远镜”的国际项目正在整合历史上第一幅真正的黑洞影像。如果成功，这将是一个了不起的成就。由于黑洞的质量太大，近距离观察它们的难度超乎想象。

　　为什么没有天文学家用望远镜看见过黑洞

　　大质量恒星自我塌缩，产生一个强大的引力区域，就连光也无法逃脱，这时黑洞便诞生了。天文学家推测，一些黑洞可能形成于大爆炸后混乱的早期宇宙。

　　想要看到黑洞，最大的问题在于，哪怕是超大质量黑洞（比太阳重几百万倍）也相对较小。

　　“天空中最大的黑洞是位于银河系中央的那个黑洞。”亚利桑那大学天体物理学家迪米特里奥斯?帕萨提斯（Dimitrios Psaltis）说，“拍摄黑洞的照片相当于拍摄月亮表面上一张DVD光盘的照片。”

　　而且，由于拥有强大的引力，黑洞往往被其他的明亮物质所包围，很难看到黑洞本身。

　　因此，在寻找黑洞时，天文学家一般不是直接观察，而是寻找黑洞引力和辐射效应的迹象。

　　“我们通常测量似乎围绕天空中暗‘点’旋转的恒星和气体的轨道，测量那个暗点的质量有多大。”帕萨提斯说，“如果我们知道的所有其他天体都不可能达到那样的质量和黑暗程度，我们就认为这是那里存在一个黑洞的有力证据。”

　　但我们确实拥有黑洞的间接影像

　　最好的一些黑洞间接影像来自于钱德拉X射线天文台。“黑洞物质的摩擦和高速运动会产生X射线。”美国宇航局（NASA）天体物理学家、钱德拉X射线天文台通讯专家彼得?艾德蒙德斯（Peter Edmonds）说。钱德拉X射线天文台的太空望远镜经过特别设计，专门用来观察那些X射线。

　　例如，钱德拉X射线天文台记录了2600万光年之外两个星系合并所产生的X射线暴。天体物理学家猜测，这些X射线暴来自于一个大质量黑洞：



　　同样，下图的紫红色斑点是剧烈的X射线辐射区域，被认为是两个星系（蓝色和粉色环）碰撞时形成的黑洞：


　　以下是英仙座星系群中心区域发出的X射线和声波，这是更加间接的黑洞证据：



　　在以下这个GIF图中，钱德拉X射线天文台望远镜观测到了银河系中央那个黑洞发出的最大X射线耀斑。

　　以下是那个X射线耀斑的放大图。


　　我们能看见黑洞向宇宙喷射物质流

　　以下这张合成图（结合了哈勃望远镜和一架射电望远镜的数据）显示了从武仙座A星系中心喷射出的能量和物质流。这些喷流的速度接近光速，证明了黑洞的强大破坏力。



　　下图中的喷流被认为来自于半人马座A星系中心的那个黑洞。人马座A星系距离我们有1300万光年。这些喷流比该星系本身还要长。


　　天文学家已经观测到了围绕黑洞旋转的恒星

　　我们看不见黑洞，但我们能观察黑洞对其周围天体的引力效应。以下是这方面的一个炫酷动画。

　　这是为期20年的数据，动画中的恒星位于银河系中央的那个超大质量黑洞周围，该黑洞被称为“人马座A”。没错，那些恒星（其中一些的质量是太阳的很多倍）围绕着该黑洞旋转。

　　动画中用黄线标示的S2恒星，其质量是太阳的15倍左右。这很大，但根本无法与人马座A黑洞相比。据估计，那个黑洞的质量大约是太阳的400万倍，它产生的引力使S2每小时沿轨道运行大约1770万公里，是地球绕太阳公转速度的200倍（S2需要16个地球年才能走完一圈）。

　　我们还没有直接观察到人马座A黑洞，但科学家猜测它就在那里，因为除此之外无法解释那些恒星的运行轨道。

　　“这些轨道以及开普勒定律的简单应用，为那里存在一个超大质量黑洞的观点提供了目前为止最有力的证据。该黑洞的质量是太阳的400万倍。”制作上述动画的加州大学洛杉矶分校银河系中心组解释道。

　　以下是同一现象的另一个视频。该视频包含了欧洲南方天文台16年的观测数据。这不是动画，而是恒星的真正影像，加速3200万倍。它们围绕着一个神秘的空白中心“跳舞”。

　　我们还看不见黑洞，但我们能“听到”它们的碰撞

　　两个黑洞碰撞时，会释放出巨大的引力波。

　　就像声波扰乱空气产生噪音一样，引力波扰乱时空，拉扯物质，仿佛物质存在于一面哈哈镜中。如果巨大的引力波经过你身边，你会发现你的一只手臂变得比另一只更长。如果你的两只手上各戴着一块表，你会发现两块表的时间不同步。

　　两个黑洞碰撞时，会释放出巨大的引力波。但到了14亿年后抵达地球的时候，这些引力波已经变得非常微弱（就像石子落入池塘中激起的涟漪会随着距离的扩大而变得越来越小）。

　　但在过去几年里，科学家已经可以利用LIGO和VIRGO听到这些涟漪。LIGO和VIRGO是能够探测这些微弱时空涟漪的大型全球实验。

　　由于LIGO发现的引力波的频率与我们能听到的频率范围相若，所以科学家可以把它们转换成声音（这不是引力波的声音，而是代表那些数据的音频，引力波不会在真空中产生任何声音）。

　　很快我们就可以看见真正的黑洞

　　由于银河系中央的人马座A黑洞相对较小，并且被非常多的阻隔物质包围，因此需要一架很大的望远镜去观测它。按照《自然》杂志的说法，这架望远镜的性能必须比哈勃望远镜强大1000倍，这样才能拥有足够的分辨率进行观测。

　　一个叫做“事件视界望远镜”的国际项目试图解决这个问题。传统的光学望远镜用越来越大的镜面，来观测宇宙中更小、更远的物体。事件视界望远镜也是如此：它是一个如同整个地球般大小的虚拟望远镜。

　　2017年4月，事件视界望远镜团队把全球多个地方（远至夏威夷和南极）的射电望远镜连接起来，要这些望远镜在几天时间内都对准人马座A黑洞。该望远镜网络是世界各地14个研究机构展开国际合作的成果。

　　麻省理工学院解释道，这八架望远镜能“数清13000公里之外一个棒球上的针脚”。该望远镜阵列产生的数据量很大，通过网络传输数据耗时太久，乘坐飞机把每架望远镜产生的数据带到同一个地方集中处理反而更快。

　　目前，科学家正在整合所有数据。他们希望，最终的图像将呈现出事件视界，也就是黑洞最外层的边界，光一旦进入就无法逃脱。事件视界可能被吸积盘包围。吸积盘是明亮的、能量巨大的物质环，围绕黑洞旋转。它可能看起来像这样。



了解更多信息 欢迎关注科学探索微信公众号及微博