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你知道吗?人类有望获得首张黑洞影子图像

2012-01-16 09:11:29 本文行家:莫刚

分布于全球各地的射电望远镜组成了强大的射电观测阵列,试图获取首张黑洞“影子”图像。

黑洞的“事件视界”将是研究黑洞的重要突破口(资料图)黑洞的“事件视界”将是研究黑洞的重要突破口(资料图)

人类有望获得首张黑洞影子图像

从爱因斯坦的广义相对论出发,我们通过数十年的观测、计算以及论证,支持了黑洞存在的理论。但是黑洞不可能被直接观测到,这个宇宙中的另类“时空漩涡”拥有强大的引力,对时空和空间而言,是一种灾难性的统治力量,也可以认为黑洞是宇宙中最极端的空间环境。众所周知,黑洞的引力场足以在一定作用距离上将任何物质“吞没”,光也未能逃脱引力的控制。出于这个原因,黑洞是看不见的,就像空间的“虚无”融合在黑暗的宇宙中。那么,如何采取措施进而观测到黑洞的图像呢?

多尔曼认为可以通过黑洞周围存在的一种现象来看到它的存在。由于黑洞周围的气体和尘埃在溅落的过程中会以漩涡式的路径运动,有点儿像“宇宙堵车”,并形成盘状漩涡流,这个过程中由于气体、星际物质间的摩擦会产生十亿度以上的高温等离子体,可以使黑洞“发光”,我们就可以通过观测这些能量辐射的分布来看到黑洞。跟踪物质坠入黑洞时空深渊之前所形成的漩涡,科学家就能看到黑洞大致的轮廓,我们也可称之为黑洞影子。因为物理定律要么反映出黑洞周围一定距离时空的物质运动,要么就彻底失效,在这个分界区域可形成一种可视的边界,我们称之为“事件视界”。

到目前为止,我们虽只有间接的证据说明在银河系中央存在黑洞,但是我们可以通过新技术看到它的影子,这是不容置疑的。尽管银河系中央的黑洞被认为是具有四百万倍太阳质量的超大质量黑洞,但是它在天文学家的望远镜中还是显得太小,可视面积小于水星环绕太阳的轨道面积,大约距离我们26000光年,相当于我们观测月球上的一个柚子。

因此,我们要看到如此遥远渺小的东西,就需要一个非常大的望远镜,而世界上最大的望远镜并不是传统意义上经典的单个天文台,或者以镜身直径来衡量,我们其实可以把地球当做望远镜使用,这就是由分散在全球数十个射电望远镜一起组成的观测网,其中包括亚利桑那州的格雷厄姆山亚毫米波望远镜(SMT)、夏威夷莫纳克亚山顶(Mauna Kea)上的凯克天文台、位于南加州的毫米波天文学联合研究阵列(CARMA)。同时,该全球射电阵列也将会把欧洲的若干射电望远镜纳入,以及南极10米径、墨西哥15000英尺山峰上的15米径的射电望远镜。

根据多尔曼介绍:从本质上说,我们将地球当做一个虚拟的大望远镜,每一个单元便是由分散在世界各地的射电望远镜,共同组建的全球射电网便是“事件视界”望远镜,可以对黑洞的影子进行观测。但是,对黑洞影子的观测并不是一蹴而就的过程,需要进行多年观测,每年该射电网都要增加射电望远镜,提升观测能力,最后将获得的射电图像进行锐化,逐渐使这个超大质量黑洞“现形”。

其中一个关键性的重要节点便是位于智利的阿塔卡玛大型毫米波天线阵(ALMA),它包括了50个射电天线,作用相当于一台90米直径的天线,可使对黑洞影子的观测能力有个较大的提升。科学家在一份项目概要中提到:“事件视界”望远镜将引领我们越来越靠近黑洞,更重要的是我们安然无恙。我们可以看清宇宙中最强引力场所产生的边界,并且了解到在哪儿发生了什么。在此之前,未曾有人验证过爱因斯坦的广义相对论在引力如此强大的宇宙空间是否有效。

广义相对论预言,黑洞的轮廓应该是一个完美的圆形。帕萨提斯的研究小组对爱因斯坦广义相对论做了细致的研究,对黑洞影子进行观测的计划无疑将是验证广义相对论的重要契机。如果我们发现黑洞的影子是扁圆的,而不是圆形的,这就意味着广义相对论存在缺陷。即使广义相对论与观测事实相符合,我们也可以通过这个过程对该理论的基本方面有一个更好的理解。

我们对宇宙中的黑洞仍然缺乏了解,黑洞的质量可从数倍到数十亿倍的太阳质量,它们的行为就像油滴在水中融合一样。并不是所有的星系中都存在超大质量的黑洞,一些较小的黑洞可以散布存在于星系中。我们银河系中央黑洞有着足够的质量和距离我们适当的距离,是质量和距离较为完美的结合,有些黑洞质量更大,但是他们离我们很远,位于别的星系中,而距我们近的,质量就偏小。

天文学家之所以使用无线电波对黑洞进行观测,而不是使用可见光或者红外有两个原因:第一,在地球上观测银河系中央黑洞要求视向信息能穿过星系平面,无线电波穿过数千光年的恒星、星际气体和尘埃的阻挡。第二,打造一个超级可见光望远镜是不可行的。另一方面,射电观测也并非易事,不仅要保证记录的无线电波长不受大气中水汽干扰,而且还要对远隔数千公里的多点同时观测进行精密计算,这些都要建立在先进的射电观测技术的基础上。“事件视界”全球射电阵列望远镜要将各点射电数据记录到硬盘和汇集在位于麻省理工学院赫斯塔克天文台的数据处理中心。

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标签: 事件视界 黑洞 黑洞影子图像 射电望远镜 射电观测阵列 | 收藏
参考资料:
[1] “事件视界”射电阵列将获首张黑洞影子图像 http://tech.qq.com/a/20120116/000101_1.htm
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