黑洞你好,第一次見到你

在黑洞第一張照片面世的新聞發佈會上,有記者這樣向研究組的成員提問:

終於得到黑洞的第一張照片的時候,你們是什麼感受,有沒有開Party,有沒有激動得熱淚盈眶?

“我真的流淚了。”

“說實話,有點震驚。我們可能會見到模糊的東西,我們的確見到了。我們可能會看到之前沒有預料到的東西……但是沒有任何超出意料的東西。“

畢竟,我們已經在心目中,將黑洞描繪了將近100年。

黑洞你好,第一次見到你

100年前的1919年,愛丁頓遠征西非觀測日全食,驗證了愛因斯坦的預言:質量確實可以令時空彎曲

52年前的1967年,惠勒第一次提出“黑洞”一詞,用以指稱一種只在理論上存在的、極端緻密、令時空無限彎曲的天體。

2019年4月10日,我們終於親眼目睹黑洞存在的直接證據:橫跨地球直徑的8臺望遠鏡強強聯手,組成史詩般的“事件視界望遠鏡”,奉上了人類的第一張黑洞照片——

黑洞你好,第一次見到你

一個世紀的求索,我們終於等到了今天。

輕舟既過萬重山,猶憶往昔崢嶸歲月稠。

廣義相對論預言,大質量天體會讓周圍的時空發生顯著彎曲,背景星光行經此處,會隨著時空的彎曲而被偏折。

1919年,英國天文學家亞瑟·愛丁頓和同事,分別率領一支遠征隊趕赴巴西和西非,利用日全食的寶貴時機,測量太陽附近恆星的位置——對比星圖,他們發現這些恆星的位置似乎稍微遠離了日面,而且遠離的幅度符合廣義相對論的預言。

黑洞你好,第一次見到你

1919年驗證廣義相對論預言的日全食

這是愛因斯坦提出廣義相對論之後,第一個專門為驗證廣義相對論預言而實施的重要觀測。結果一出,立刻讓愛因斯坦名聲大噪。

當天體質量更大、彎曲星光的效應更明顯,中間的大質量天體就彷彿一個匯聚光線的凸透鏡,讓背景光源呈現扭曲、放大的多個虛像。廣義相對論預言的這種現象,被稱為“引力透鏡”效應。

而引力透鏡成像在宇宙中已經被廣泛發現:

黑洞你好,第一次見到你

形形色色的強引力透鏡效應現象——“愛因斯坦環” | 哈勃望遠鏡

1974年,美國天文學家拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒,使用當時世界上最大的單口徑射電望遠鏡,位於美國波多黎各的305米阿雷西博望遠鏡,發現了位於中子星雙星中的一顆毫秒脈衝星。

黑洞真的存在嗎

1916年,廣義相對論提出僅僅一年之後。

一個名叫卡爾·史瓦西的德國天文學家,在第一次世界大戰的前線戰地醫院臥病時,寫下一篇探索廣義相對論的論文。

他給出了廣義相對論中,描述時空性質的“愛因斯坦場方程”的第一個精確解。他指出,對於任何物體,都有一個與其質量相對應的半徑,如果將其全部質量壓縮到這個半徑內,這些物質就將無止盡的向中心掉落,形成一個時空極端彎曲的奇點。

這個半徑,後來被稱作“史瓦西半徑”任何物質,包括光,都無法從史瓦西半徑內逃出。

如果這個極端不可思議的預言也能得到證明,無疑將會是廣義相對論的又一座豐碑。

一開始,天文學家不相信自然界可以產生那麼緻密的天體

1931年,印度裔天文學家錢德拉塞卡指出,小恆星演化的遺骸,也就是靠電子簡併壓維持存在的緻密天體白矮星,一旦質量超過1.4倍太陽質量,就無法繼續依靠電子簡併壓而維持存在,勢必繼續坍縮為中子星。

1939年,美國理論物理學家奧本海默等人又指出,當中子星的質量超過某一極限(根據LIGO引力波觀測的結果,這個極限目前被認為是2.17倍太陽質量),就連中子簡併壓也無法維持中子星的存在,超重的中子星也必然繼續坍縮下去——而且似乎沒有什麼力量可以再阻擋這種坍縮

宇宙似乎有辦法把物質壓進史瓦西半徑以內。

給黑洞畫張素描

黑洞如果確實存在,它看上去什麼樣?

你可能會說,《星際穿越》已經把答案洩了,長這樣——

黑洞你好,第一次見到你

《星際穿越》劇照

再來張這樣的

黑洞你好,第一次見到你

第一次獲取黑洞視界面附近區域的影像,是足以載入史冊的成就。在興奮之餘不要忘記,M87中央黑洞只是視界面望遠鏡的兩位主角之一。現在我們更有理由期待,事件視界望遠鏡給銀河系中央黑洞“拍攝”的圖像,會給我們帶來更多驚喜。

未來事件視界望遠鏡還有更多想象空間:如果把望遠鏡放到太空、放到月球以取得更長的基線,如果採用更短的頻率,視界面望遠鏡對黑洞吸積盤細節的分辨能力還將得到進一步提升;而如果長時間連續觀測,我們還可能獲得黑洞吸積盤的小動畫....


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