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科学家计划拍摄首张黑洞照片
2012-01-24 10:00:36   编辑:Ruskin   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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据物理学家组织网站报道,1月18日,物理学家和其它相关领域的科学家们将聚集美国亚利桑那州图森参加一个会议,在这次会议上,他们将探讨一项就在几年之前还被认为是不可能实现的想法。本次会议的召集人是迪米特里·萨尔提斯(Dimitrios Psaltis),他是亚利桑那大学斯图尔特天文台的天体物理学助理教授,以及丹尼尔·马龙(Daniel Marrone),他是斯图尔特天文台的天文学助理教授。

那么这些科学家们究竟要探讨什么事情呢?萨尔提斯说:“没有人曾拍摄过黑洞的照片,而我们这次想要做的正是这件事。”

谢泼德·多勒曼(Sheperd Doeleman)是麻省理工学院赫斯塔克天文台主任助理,他说:“哪怕在5年之前,这样一个想法也会被认为是不可想象的。” 多勒曼还担任着“视界望远镜”(Event Horizon Telescope)项目的首席科学家。顾名思义,这一项目的目标就是拍摄到黑洞的照片。多勒曼说:“现在我们已经有了可以做出尝试的相关技术。”

黑洞的概念最早是由爱因斯坦的广义相对论导出的,在随后的数十年间又经过了大量的观测,测量和实验验证。但是人们从来未能实现对黑洞的直接观测,或者拍摄到黑洞的照片。我们所知的仅仅是这种神秘天体对于周遭的时空施加的巨大引力作用。

多勒曼说:“黑洞是你能在宇宙中找到的最极端的环境。”黑洞拥有难以想象的超强引力场,它能够吞噬一切进入其控制范围内的物体,甚至连光也无法逃脱魔掌。因此从这一点来说,黑洞是不可能发出任何光线的,它只是隐藏在宇宙一隅的深邃黑暗。

那么既然如此,我们又怎么可能去拍摄这样一种根本就“看不见”的物体呢?对此,多勒曼进行了解释,他说:“当大量的尘埃和气体物质旋转着向黑洞下落,在黑洞附近会由于物质太拥挤而发生某种‘交通堵塞’。这有点像是浴缸中排水时形成漩涡的景象。在此过程中物质之间的剧烈摩擦导致急剧的升温过程。气体和尘埃物质形成等离子体,温度高达十亿摄氏度或更高,这样它们就会‘发光’,并释放出可以在地球上探测到的能量。”

一旦我们成功拍摄到旋转下降的物质流,我们就将能够勾勒出黑洞的外部轮廓,尽管这并非黑洞本体,我们暂且可以称之为黑洞的“影子”。一旦越过这条轮廓线,进入更加靠近黑洞的位置,一切都将无可挽回,这条“死亡界限”被称为“视界”。任何越过视界的物质都将无法逃离,甚至光线也是一样。

萨尔提斯说:“到目前为止,我们拥有一些见解的证据证明在我们银河系的中心位置存在一个黑洞。而如果我们真的拍摄到了它的‘影子’,那么一切都将确凿无疑。”

尽管计算显示隐藏在银河系核心位置的黑洞质量高达太阳质量的40亿倍,但是在天文学家们的眼中,这真的不算什么。这样一个黑洞产生的视界范围大致和水星轨道相当,但是它远在2.6万光年之外。因此对于地球上的人们来说,它看起来就像是放在月球表面的一个西柚那么大。马龙说:“要想看到这么远的地方那么小的一个物体,你需要有非常大的望远镜。而在地球上,你能制造的最大型的望远镜就是将整个地球半球作为望远镜的直径。”

为了实现这一宏伟目标,天文学家们正在计划将散布在全球各处的射电望远镜连接起来,其中包括亚利桑那州格雷汉姆山上的亚毫米望远镜(SMT),夏威夷莫纳克亚山顶的望远镜以及位于加州的毫米波天文学研究望远镜联合阵列(CARMA)等等。另外这一网络还将包括一些位于欧洲的射电望远镜,一台位于南极洲的10米口径望远镜以及一台位于墨西哥一座4500米海拔山顶上口径15米的射电望远镜。

多勒曼说:“简单而言,我们正在构建一台虚拟望远镜,其口径相当于地球直径。我们使用的每一台独立的大型射电望远镜都可以被视作是这一巨型望远镜的一部分,有了这样一台巨型望远镜,我们就将能够实现对银河中心黑洞的成像。”

他说:“视界望远镜并非一蹴而就,就像我们按下一个按钮然后就获得所有数据那样。事实并非如此,而是这样:我们会逐年增强它的能力,让更多的望远镜加入进来,这样就能逐渐让我们获得的影像变得更加清晰,有点像是从较低像素的图片变为较高像素图片的转变过程。”

其中,对于构建这样一台巨型“视界望远镜”网络至关重要的一环是位于智利的的ALMA,即“阿塔卡玛大型毫米波阵列”。这一强大的观测阵列包含50台射电望远镜,联合运行时相当于一台口径90米的射电望远镜。多勒曼称之为“真正改变游戏规则的设备”。如果能争取让ALMA设备参加这一网络,将能让视界望远镜的观测分辨率翻倍。

在一份项目简报中,一位参加该项目的科学家写道:“视界望远镜将让我们前所未有的接近一个黑洞的边缘。”萨尔提斯说:“我们将有能力实际看到在非常接近黑洞视界边缘的地方究竟是何种情形,这里拥有宇宙中最强大的引力场。之前从未有人在这样强大的引力场中检验过爱因斯坦的广义相对论。”

广义相对论预言,限定黑洞边界的这条明亮视界一定是一个完美的圆形。而根据萨尔提斯的说法,这样一次观测将能够提供重要的验证。萨尔提斯率领的小组的主攻方向便是广义相对论。

他说:“如果我们发现视界的形状是椭圆形而非正圆形,那么就将意味着爱因斯坦的广义相对论存在缺陷。但即便我们最终发现一切都符合广义相对论的预言结果,那么这一过程本身也将帮助我们加深对于这一理论本质的理解。”

黑洞到目前为止仍旧是宇宙中被了解最少的现象之一。其质量数值从太阳的数倍到数十亿倍,在茫茫宇宙之中它们就像是水中的油滴那样游荡。现在我们认为大部分(如果不是全部的话)的星系核心都拥有超大质量的黑洞存在,而质量较小的黑洞则遍布宇宙空间各处。光在我们的银河系中,科学家们就估计存在大约25个大小不一的黑洞,质量从太阳质量的5倍到10倍不等。

马龙说:“而位于银河系核心的那个黑洞有几点好处,首先它足够大,另外离开我们的距离也不算太远。在其它星系中存在着更加巨型的黑洞,但是那些太遥远了。也存在一些更近的黑洞,但是质量要小得多。而银河系核心的黑洞则是观测目标的不二之选。”

那么为什么天文学家们会选择在射电波段进行这样的观测,而不是在可见光或者红外光波段呢?这主要有两方面的原因:一是要想从地球上观测银河系的核心部位,需要穿透银河系密布恒星的盘面,而无线电波可以穿透数千光年遍布恒星,尘埃和气体云的空间;而第二点则是,研究显示要将全世界的光学望远镜组合成一台类似口径的巨型望远镜在技术上是不可能的。

即便是在射电波段上,将多台相距上千公里的大型射电望远镜获取的数据进行修正,防止其与大气层中的水汽发生相互干涉,并同时保证精确的计时协调以便实现联合成像也是最近几年才开发出来的技术。

在观测时,网络中每一台成员望远镜都将进行独立观测并将数据存放在硬盘中,这些数据随后将被人工运送到设在美国麻省理工学院的中央数据处理中心。要协调全世界各地的协同观测需要一个相互密切配合的国际团队。

正因为如此,萨尔提斯说:“这次会议并非像一次普普通通的会议那样,人们因为希望和同行们分享他们的研究成果而前来与会。对于视界望远镜而言,我们需要全世界的科学家联合起来一起制造这台望远镜,因为它和这颗星球一样大。人们从全球各地赶来参会,因为他们必须参与进来,共同努力。”(文/新浪科技)

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