銀心黑洞第一次拍攝到!中國天眼世界最大,為何沒用於觀測黑洞?

銀心黑洞第一次拍攝到!中國天眼世界最大,為何沒用於觀測黑洞?

銀河系中心超大質量黑洞的第一張照片正式公佈,這是人類第一次看到我們自己星系中心的超大質量黑洞。此次拍攝到銀心黑洞的望遠鏡仍然是事件視界望遠鏡(EHT),它曾在3年前拍攝到了人類史上的第一張黑洞照片。

銀心黑洞第一次拍攝到!中國天眼世界最大,為何沒用於觀測黑洞?

與當年的第一張黑洞照片類似,銀心黑洞照片看起來也像是一個“甜甜圈”。紅橙色的圓圈即為黑洞周圍的吸積盤,其中的陰影就是黑洞真身所在。由於黑洞會束縛住光,所以黑洞本身是看不到任何細節的。

如何拍攝黑洞?

這樣的黑洞照片可能會令一些人失望,與《星際穿越》中的超大質量黑洞看起來相差很多。但事實上,能夠捕捉到銀心超大質量黑洞的照片就已經是重大突破,為了實現這一步,天文學家已經付出了巨大的努力。

銀心黑洞第一次拍攝到!中國天眼世界最大,為何沒用於觀測黑洞?

銀心超大質量黑洞名為人馬座A*,此前,天文學家已經透過附近繞行恆星的方法,間接探測到了這個黑洞的存在。根據觀測資料,可以推測出人馬座A*的質量約為太陽的400萬倍,距離我們2.6萬光年。

根據愛因斯坦的廣義相對論,人馬座A*的半徑(史瓦西半徑2GM/c^2)估計為1200萬光年。由於黑洞會把光彎曲吞噬掉,我們不可能直接看到黑洞的邊緣(事件視界)。

但由於黑洞憑藉極端的引力,可以把附近的物質拽過來,併吞噬掉。這些物質螺旋掉入黑洞的過程中,劇烈的摩擦效應可以釋放出超高的能量,其質能轉換效率高達42%(恆星的核聚變只有0.7%),所以活躍的黑洞周圍會產生一個非常明亮的吸積盤。

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透過捕捉髮光的吸積盤,就能襯托出中間的黑暗區域,那就是黑洞所在。從地球上看來,人馬座A*的吸積盤的直徑估計為52微角秒,也就是0.000052角秒,而一角秒只有1/3600度。因此,這是一個極其微小的物體,為了看到它,需要大到超乎想象的天文望遠鏡。

天文望遠鏡的解析度取決於口徑,口徑越大,解析度越高。但光學望遠鏡受限於物理結構,目前在建的最大口徑也只有40米左右。為了觀測到人馬座A*,需要口徑巨大的射電望遠鏡。

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這不但是因為射電望遠鏡的口徑可以做到非常大,單口徑可達幾百米,而且波長較長的無線電波,更容易穿透銀河系中的濃厚星際塵埃。由於星際塵埃的阻擋,我們無法在可見光看到極為明亮的銀心,不然夜空看起來將會比現在亮很多。

雖然射電望遠鏡的口徑很大,但由於觀測波長相比長了很多,這其實會讓解析度下降。為了提升射電望遠鏡的觀測能力,需要利用干涉技術,讓相隔遙遠的射電望遠鏡組成觀測陣列,這樣可以得到一個尺寸巨大的虛擬射電望遠鏡。

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事件視界望遠鏡利用位於全球的8臺射電望遠鏡,包括位於南極點的南極望遠鏡,位於北極的格陵蘭望遠鏡,位於南美洲的阿卡塔瑪大型毫米/亞毫米陣列。透過甚長基線干涉儀(VLBI)技術,可以得到一臺口徑達到1.2萬公里(相當於地球直徑)的虛擬望遠鏡,這就是事件視界望遠鏡。

即便是強大如事件視界望遠鏡,也只能捕捉到銀心超大質量黑洞的基本面貌,更多的細節仍然不可見,與我們通常看到的模擬黑洞照片還差得很多。但就目前人類的技術,能夠直接捕捉到黑洞已經相當不容易了。要知道,廣義相對論預言黑洞存在100多年之後,天文學家才第一次直接捕捉到黑洞照片。

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為什麼不用中國天眼(FAST)觀測黑洞?

我們知道,中國天眼(FAST)是目前全世界單口徑最大的射電望遠鏡,直徑可達500米,擁有無與倫比的靈敏度。儘管中國天眼非常強大,但為什麼沒被用來觀測黑洞呢?

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中國天眼確實也是射電望遠鏡,觀測的也是無線電波,但波長範圍較長,在1分米至4米之間。而用於觀測黑洞的射電望遠鏡需要更短的波長,最短只有1.3毫米,波長越短才能有足夠高的解析度。中國天眼不是被設計用於黑洞,它有自己的觀測目標,包括脈衝星、快速射電暴、外星文明訊號。

另一方面,為了得到一臺口徑巨大的事件視界望遠鏡,幾臺望遠鏡需要同時對銀心黑洞進行觀測,中國天眼處在東半球,而且方向是固定的,無法轉向,與另外幾臺射電望遠鏡無法協調觀測,白天黑夜互相顛倒。

銀心黑洞第一次拍攝到!中國天眼世界最大,為何沒用於觀測黑洞?

雖然中國天眼沒有參與黑洞觀測,但我國的天文學家參與了黑洞的觀測和處理,所以無論是銀心超大質量黑洞照片,還是更早之前的M87星系超大質量黑洞照片,都有我國天文學家的一份貢獻。未來,我國計劃建造亞毫米波射電望遠鏡,有望參與銀心黑洞的聯合觀測。

銀心超大質量黑洞會吞噬銀河系嗎?

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銀心超大質量黑洞質量巨大,相當於太陽的400萬倍,它的極端引力不斷把周圍的物質拽向深淵。根據廣義相對論,黑洞的質量越大,直徑也會越大。這意味著隨著黑洞不斷吞噬物質,它也會變得越來越大。那麼,未來有一天,人馬座A*會不會吞噬掉整個銀河系呢?

雖然人馬座A*很大,但它的影響範圍非常有限。因為整個銀河系非常大,銀河系總質量為太陽的1萬億倍,這相當於人馬座A*的25萬倍。人馬座A*對地球施加的引力遠遠小於太陽對地球施加的引力,所以地球才會繞著地球轉動,而不會被人馬座A*吸引過去。

銀心黑洞第一次拍攝到!中國天眼世界最大,為何沒用於觀測黑洞?

雖然太陽以及另外上千億顆恆星都在繞著銀心轉動,但這並不是因為人馬座A*的引力作用,而是整個銀河系共同引力作用的結果。銀河系的共同質心所在之處被定義為銀心,而人馬座A*恰巧處在銀心。

當然,人馬座A*處在銀心中並非偶然,因為幾乎所有的星系中心都有一個超大質量黑洞,必然有某種機制讓星系中心出現一個巨大的黑洞,只是目前還不清楚究竟是什麼原因。

銀心黑洞第一次拍攝到!中國天眼世界最大,為何沒用於觀測黑洞?

未來,人馬座A*不會吞噬掉整個銀河系,它只會吞噬掉附近有限範圍內的物質。待到那些物質消耗殆盡,人馬座A*也會隨之趨於平靜。如果沒有繼續吞噬物質,人馬座A*將會自發變小,因為黑洞存在霍金輻射,本身會不斷損失質量,經過漫長時間之後,黑洞將會從宇宙中蒸發殆盡。

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