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给黑洞拍照



    从某种意义上来说,天文学家和景点里蜂拥而至的游客没什么两样。

    他们“逛”宇宙的时候,只要是发现了什么新的恒星、彗星、小行星,在作出有意义的研究前,都要举起“相机”,先咔嚓咔嚓拍个够。

    2017年,一群来自世界各地的天文学家决定:联手“玩儿个大的”!

    他们在全球八个观测站架起望远镜,对准了26000光年,也就是24亿亿千米外的银河系人马座A超大质量黑洞,决心——给它拍个照!

    等等,给黑洞拍照?黑洞不是……一团漆黑吗?怎么拍照?

    黑洞是什么

    黑洞不是一个黑色的洞。

    它和太阳、地球一样,是宇宙中的天体,只不过是一种非常神秘、古怪的天体。

    即使到了今天,人类对黑洞的了解仍不够深入。天文学家推测,黑洞是恒星死亡的产物,当质量比太阳大很多倍的恒星演化到氢燃料耗尽时,就会发生超新星爆炸,把外壳炸飞。如果剩余物质的质量依然比太阳重3倍以上,就会在引力的作用下不断地向中心塌缩成一个高度致密的天体——黑洞。从理论上说,如果地球塌缩成一颗眼球那么大,也会变成一个黑洞。

    由于密度极高、质量极大,黑洞的引力超级强大,任何靠近它的物质都有去无回,就连光都无法逃离,你看不见黑洞,因为它根本不发光。

    X射线流

    掉入黑洞的物质因为摩擦而被加热,从而发出辐射,原理类似于铁被加热后发出红光。但是黑洞喷射出的主要是人眼不可见的X射线流。这是一种能量极高的射线,可以射穿宇宙间的尘埃,穿过星云,有很小的概率会到达地球。

    视界面

    黑洞可怕力量的势力范围,闯入者将永无“自由”,连光也不能逃脱,所以这个区域一团漆黑,是黑洞最“黑”的部分。

    奇点

    黑洞就像无底洞,所有落入黑洞的物质都将以奇点为归宿。奇点是黑洞的中心,黑洞的全部质量都集中在这一点,可能有几十甚至上百倍太阳的质量,密度大得你无法想象。

    吸积盘

    如果黑洞从一颗邻近的恒星那里吸走大量物质,它们不会直接掉入黑洞,而是绕着黑洞的中心高速旋转。这些物质就像坐上了以光速旋转的旋转木马,它们之间剧烈的摩擦会释放大量光和热,形成壮观的吸积盘,把黑洞“标记”出来。

    黑洞“露马脚”

    瞧,黑洞虽然不发光,但它的吸积盘会发光发热,而且特别明亮,特别滚烫,喷射出的X射线也极其强烈,地球上的人虽然看不见这种射线,却可以用射电望远镜探测到并处理成照片。

    现在问题清楚了,要给黑洞拍照,就要先找到宇宙中强烈的辐射源。正好,在银河系的核心位置,就有一个异常明亮、异常强烈的无线电波源,叫作人马座A。天文学家认为,那里很可能就是特大质量黑洞的安家之处。根据天文学家的分析,人马座A的黑洞质量可能高达400万个太阳,光是视界面,也就是黑洞中心黑漆漆的部分就有17个太阳的规模之大。它就在那里,不需要靠捕食恒星为生,但具有摧毁恒星的能力。

    望远镜系列主要分布在西半球,覆盖范围极大。

    环球大“相机”

    可惜,这个银河系中心黑洞的吸积盘再大、再亮,也抵不过距离的阻挠。

    距地球24亿亿千米,用堆零的方式来表示就是——

    240 000 000 000 000 000千米,这相当于什么呢?相当于站在地球上,给月球上的一个柚子拍照。

    拿普通相机来拍照显然不可能,只能换上“镜头”更大的设备——由分布在全球(智利、墨西哥、夏威夷、西班牙和南极等地)的8台射电望远镜,组合形成一个相互关联的虚拟望远镜,观测的有效半径几乎等于地球半径。它们共同观察人马座A黑洞,获得丰富、准确的数据,科学家据此最终合成清晰的黑洞照片。

    去黑洞旅行

    如果你有机会来到一个黑洞边上,把脑袋伸进去看一看,因为你的脑袋比脚受到大得多的引力,你的身体就会被拉长。天文学家把这种现象叫作“意大利面条”。与此同时,时间还会变慢,因为黑洞强大的引力使得时间和空间发生了扭曲。直观地说,你如果在它附近逗留了几分钟,地球上可能已经过去了上百年!

    拍照10天,冲洗一年

    由于涉及的望远镜数量众多,任务的协调非常复杂,最终,一年中只有十来天的时间可以用来观测人马座A的黑洞,而且这十几天中,8台望远镜所在地还必须同时晴空万里。

    概率堪比中奖的天气要求,还不是这个宏伟计划中最困难的部分,由于要处理的数据量实在太大,科学家大概需要一年的时间,才能把黑洞的照片“冲洗”完毕。

    即便如此,参与计划的天文学家依然非常自信,他们乐观地认为:拍摄日期一定能碰上好天气,而且是八个地方同时碰上。

    一切顺利的话,黑洞照片应该是这个样子的:中间一团漆黑,四周环绕着明亮的吸积盘——这刚好是黑洞的“犯罪证据”,记录下它正在撕扯、吞噬一颗可怜的恒星。

摘自《小哥白尼》2018.08

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