人類歷史上第二張黑洞照片問世,宇宙中的怪物,舊有理論需要重建

(不要走開,文末有彩蛋)

去年的今天,我在家裏,坐在電腦前,通過直播看科學家公佈人類歷史上第一張黑洞照片。直到現在,我還清楚地記得自己坐在有點冷的小屋中,用不太流暢的網絡觀看。在觀看結束後熬夜寫了關於這顆黑洞和這張照片的文章,當時反響還不錯。

人類歷史上第二張黑洞照片問世,宇宙中的怪物,舊有理論需要重建

不知不覺,1年過去了,這張照片已經1週歲了。就在前兩天,科學家們公佈了它的弟弟——第二張黑洞照片。那麼,這一次科學家拍攝到了什麼?對我們有何意義呢?咱們從頭説起。

事件視界望遠鏡

早在2006年的時候,天文學家就開始籌備拍攝黑洞照片的工作。不過,直到2012年,第一次EHT會議才在美國亞利桑那州正式召開,EHT才算是走上正軌。經過多年的發展,已經成長為30多所來自12個國家的大學、天文觀測站等研究單位與政府機構參與的國際合作組織,並且可以利用全世界8台最先進的望遠鏡來合作觀測。

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這8台望遠鏡的合作不僅僅產生了1*8=8的效果,而是以指數倍的形式提高觀測效率,其所利用的原理,就是甚長基線干涉測量技術。關於這個技術,我們會推出一期專門的欄目來介紹,這裏簡單提一嘴:由於8台望遠鏡分佈於世界各個位置,所以相當於建立了一個口徑和地球直徑一樣的虛擬望遠鏡。

正是利用如此強大的觀測技術,我們才得以觀測到遙遠的黑洞。

第一張黑洞照片

去年的今天(2019年4月10日),人類歷史上第一張黑洞的照片終於問世。

這張黑洞照片,來自於距離我們約5500萬光年的M87星系。通過這張照片,我們終於看到了愛因斯坦在百年前預言、人類尋找了數十年的神秘天體。

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今年4月7日,EHT公佈了他們合作的第二個成果,一張類星體的照片。你可能會好奇:不是説拍黑洞嗎?怎麼變成類星體了?別急,咱們先來了解一下這種宇宙怪物。

類星體

類星體是上個世紀被人類發現的,與脈衝星、微波背景輻射和星際有機分子並稱為20世紀60年代天文學“四大發現”。

這種天體通常位於100億光年以外,是宇宙中最古老的天體。類星體最大的特點就是極其活躍,它自己的亮度就可以超過一個星系。而且最初在觀測的時候,科學家甚至發現它們有超光速的現象。因此,天文學家們一直對類星體非常感興趣。

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關於類星體的真正身份,科學家們一直在討論。目前來説,大家普遍認為其核心就是一個超大質量黑洞。黑洞本身雖然不發光,但是被它吞噬的物質會被加熱,放出強烈的電磁輻射,這就是黑洞的吸積盤。同時,吸積盤會產生磁場,向兩側發射出高能粒子束,這就是相對論性噴流,它是導致類星體如此明亮的重要原因。因此,本次拍攝照片選擇類星體,其實也是為了研究黑洞。

類星體3C 279

本次拍攝的對象,是一個典型的類星體——3C 279。這個超大質量黑洞位於50億光年以外,位於室女座方向,最早在1973年被發現。從質量上看,3C 279有太陽的10億倍左右,這個數據已經相當驚人了,但是比起去年拍攝的M87還是甘拜下風。不過,在對它持續的觀測中科學家發現,3C 279是宇宙中最強的伽馬射線源之一,擁有極其巨大的能量,這是它被科學家選中的重要原因。

3C 279的假想圖

同時,3C 279的相對論性噴流恰好是對準地球的。我們説過,這種天體屬於一個獨特的分類——耀變體。由於耀變體直接對準地球,這讓我們有了更好的條件對它進行研究。因此,不論從哪個原因來看,3C 279都是不二之選。

修了三年的圖

在2017年4月份,天文學家們就利用8台射電望遠鏡進行了四天的觀測。這4天內,他們收集到了大量的數據,然後彙總到馬克斯-普朗克射電天文學研究所(MPIfR)和麻省理工學院的超級計算機上,進行分析與合成。這第二張黑洞照片,一“修”就是三年(當然不僅僅是修圖,還有各種分析)。拍照四天,修圖三年,試問哪個女孩子做得到……

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最近,EHT團隊才終於寫出了這篇論文,並於2020 年4月7日將研究成果發表於《天體學與天體物理學》期刊。在這篇論文上我們可以看到,論文合著者多達351位,是科學史上的一大突破和奇蹟。由此可見,人類未來的科技發展,離不開全世界科學家的通力合作。

説了這麼多,你肯定已經很想知道:這第二張黑洞的照片都展示了什麼?它又給帶來了哪些驚人的信息呢?

第二張黑洞照片

首先,咱們把第二張黑洞的照片給大家貼出來~

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是的,和第一張黑洞照片一樣,又是一張看起來像馬賽克一樣的模糊圖片。不過,對於人類現有的科技來説,這已經非常難得了。如果不是EHT,你啥也看不見,只能看見像包大人一樣黑的夜空。

而且,雖然圖片模糊,讓外行人一臉懵逼地進來,又一臉懵逼地出去。但對於天文學家來説,這裏滿滿的都是信息量啊!

比如,通過4天的觀測和對比,科學家發現3C 279的相對論性噴流快得出奇,達到了光速的99.5%。我們在此附上EHT在2017年的四天時間內拍攝到的3C 279的原始照片,方便對比。

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當然了,你可能看不出來,但是下面的相對論性噴流是有距離上的變化的。根據比例尺和時間,科學家就計算出來了這股噴流的驚人速度。

原理論的崩潰

説來也蠻有趣的,第一張黑洞照片終於印證了多年以來的愛因斯坦預言,其規律也基本符合天文學家的預期。而這第二張黑洞照片,則推翻了許多原有的理論,讓天文學家們認識到不得不重新對黑洞進行思考。

首先,咱們看看以往的黑洞假想圖,大概是這個樣子

人類歷史上第二張黑洞照片問世,宇宙中的怪物,舊有理論需要重建

在這裏,我們把EHT拍攝的第二張黑洞照片附上,不過要把距離拉遠一點來看。這張圖片裏只有一側的噴流,而不是像假想圖一樣兩側都放進了圖中。

仔細看下面的噴流,你就會發現它好像有點問題:

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如果你足夠細心,並且想象力比較豐富,就會看出二者的差別。根據EHT拍攝的照片顯示,黑洞的相對論性噴流竟然拐彎了!

德國波恩的馬克斯普朗克射電天文研究所的Jae Young Kim是帶領團隊參與該項目的主要負責人,他用了一個有趣的比喻來形容這個現象:這就相當於你在拆俄羅斯套娃,拆着拆着,發現最裏面一個的形狀竟然和其他的不一樣。

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還真是有那麼一點怪怪的……

科學家的猜想

對此,科學家有什麼解釋呢?

哈佛大學和史密森大學天體物理中心(CfA)的博士後研究員Dom Pesce認為,這或許是噴射過程中的衝擊和不穩定性,導致了噴流的扭曲形狀。也可能,這與高能的伽馬射線有關。

總之,對於這個現象,科學家也沒有一個完全可靠的解釋,目前也只能靠提出假説然後驗證。正如Jae Young Kim所説的那樣:“每次打開一扇通往宇宙的新窗口,就會發現新的東西。”

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EHT合作委員會主席Anton Zensus也表示:“正如我們去年説的那樣:這只是一個開始。”隨着EHT項目的持續進行,科學家很可能面臨更多原始理論被推翻,或者沒有預想到的神秘現象突然出現的局面,正是這些意外,才讓我們的科學理論能夠不斷地發展和進步。

遺憾的是,受到新冠肺炎疫情的影響,EHT原本計劃今年3、4月份開展的新一輪觀測也被迫暫停,下一次觀測或許要等到明年。在今年接下來的時間裏,他們將把精力放在整理以往數據的工作上。希望這一年的鑽研和分析,能夠解決3C 279給我們帶來的謎題吧!

(彩蛋:文中提到過,科學家在觀測類星體時發現過超光速現象。3C 279也不例外,天文學家本次甚至發現它的噴流達到了20倍光速。不過,科學家不認為這違背了愛因斯坦的相對論,而是由於噴射的物質正在以近光速的速度射向我們,幾乎追上了它自己發射的光,所以造成了一種超過光速的錯覺。)

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