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人类历史上第二张黑洞照片问世,宇宙中的怪物,旧有理论需要重建

2020-04-11 作者:

(不要走开,文章末尾有彩蛋)

去年的今天,我在家,坐在电脑前,看着科学家通过直播发布人类历史上第一张黑洞照片。直到现在,我仍然清楚地记得我坐在一个寒冷的小木屋里,在一个不太顺畅的网络上看着它。看完之后,我熬夜写了一篇关于这个黑洞和这张照片的文章。当时反应很好。

不知不觉中,一年过去了,这张照片已经一岁了。就在两天前,科学家公布了他们的兄弟,第二张黑洞照片。那么,科学家这次拿了什么?这对我们意味着什么?让我们从头开始。

视界望远镜

早在2006年,天文学家就开始准备拍摄黑洞的照片。然而,直到2012年第一次EHT会议在美国亚利桑那州正式举行,EHT才走上正轨。经过多年的发展,它已发展成为一个国际合作组织,有来自12个国家的30多个研究所参与,包括大学、天文观测站和政府机构。它还可以使用8架世界上最先进的望远镜进行合作观测。

这8台望远镜的配合不仅产生了1×8 = 8的效果,而且以指数倍的形式提高了观测效率。使用的原理是非常长的基线干涉测量法。关于这项技术,我们将推出一个专门的专栏来介绍它。这里有一个简短的提及:由于八个望远镜分布在世界各地,这相当于建立一个与地球口径相同的虚拟望远镜。

正是有了如此强大的观测技术,我们才能观测到遥远的黑洞。

第一张黑洞照片

去年的今天(2019年4月10日),人类历史上第一张黑洞照片终于出现了。

这张黑洞照片来自距离我们约5500万光年的M87星系。通过这张照片,我们终于看到了一百年前爱因斯坦预言并被人类搜寻了几十年的神秘天体。

今年4月7日,EHT公布了他们合作的第二个结果,类星体的照片。你可能很好奇:你不是说要射黑洞吗?你是如何成为类星体的?别担心,让我们先看看这个宇宙怪物。

类星体

类星体是人类在上个世纪发现的。它们与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一起被称为20世纪60年代天文学的“四大发现”。

这种天体通常位于100亿光年之外,是宇宙中最古老的天体。类星体非常活跃,它们的亮度可以超过一个星系。在观察开始时,科学家甚至发现他们有超光速现象。因此,天文学家对类星体非常感兴趣。

科学家们一直在讨论类星体的真实身份。目前,人们普遍认为它的核心是一个超大质量黑洞。尽管黑洞本身不发光,但它所消耗的物质会被加热并发出强电磁辐射,这就是黑洞的吸积盘。同时,吸积盘将产生磁场,向两侧发射高能粒子束。这是相对论喷流,这是类星体如此明亮的一个重要原因。因此,在这张照片中选择类星体实际上是为了研究黑洞。

类星体3C 279

这次拍摄的对象是一个典型的类星体-3C279。超大质量黑洞位于处女座方向50亿光年之外,于1973年首次被发现。从质量的角度来看,3C 279大约是太阳的10亿倍。这个数字已经相当惊人了,但与去年的M87相比,它仍然不尽人意。然而,在对它的不断观察中,科学家发现3C 279是宇宙中最强的伽马射线源之一,具有极其巨大的能量,这是科学家选择它的一个重要原因。

3C 279的虚数图

与此同时,3C 279的相对论性喷流正对准地球。正如我们所说,这个天体属于一个独特的类别——姚变体。由于姚的变体是直接针对地球的,这就给了我们更好的研究它的条件。因此,无论从哪个原因来看,3C 279都是最佳选择。

一张已经修复了三年的地图。

2017年4月,天文学家用八架射电望远镜进行了为期四天的观测。在这四天里,他们收集了大量数据,然后在马克斯·普朗克射电天文学研究所(MPIfR)和麻省理工学院的超级计算机上进行分析和合成。在第二张黑洞照片中,一次“修正”是三年(当然,不仅是修正,还有各种分析)。经过四天的摄影和三年的绘画,哪个女孩能做到?

最近,EHT团队终于写了这篇论文,并于2020年4月7日在《占星术和天体物理学》杂志上发表了研究结果。在这篇论文中,我们可以看到有351位合著者,这是科学史上的一大突破和奇迹。这表明,没有全世界科学家的充分合作,人类科学技术的未来发展是不可能实现的。

说了这么多,你一定想知道:第二个黑洞显示了什么?它带来了什么惊人的信息?

第二张黑洞照片

~首先,让我们把第二张黑洞照片发给大家~

是的,就像第一张黑洞照片一样,它也是一张看起来像马赛克的模糊图片。然而,对于人类现有的技术来说,这已经非常罕见了。如果不是EHT,除了像包公那样的黑夜,你什么也看不见。

此外,尽管画面模糊,门外汉还是被迫带着一张愚蠢的脸进来,带着一张愚蠢的脸出去。但是对于天文学家来说,这个地方充满了信息!

例如,经过4天的观察和比较,科学家发现3C 279的相对论性喷流速度惊人,达到光速的99.5%。我们在此附上EHT在2017年四天内拍摄的3C 279的原始照片,以便比较。

当然,你可能看不到它,但是下面的相对论喷流在距离上是不同的。根据规模和时间,科学家计算出了惊人的速度。

原始理论的崩溃

有趣的是,第一张黑洞照片最终证实了爱因斯坦多年来的预测,其定律基本符合天文学家的预期。然而,这张第二张黑洞照片推翻了许多原始理论,让天文学家们意识到他们必须重新思考黑洞。

首先,让我们看看之前的黑洞假想图,可能是这样的。

这里,我们附上EHT拍摄的第二张黑洞照片,但是我们需要看得更远一些。在这张图片中,只有一个喷流,而不是像想象中的图片那样,两边都被放入图片中。

仔细观察下面的飞机,你会发现它似乎有问题:

如果你足够细心并且有丰富的想象力,你会发现两者的区别。根据EHT拍摄的照片,黑洞的相对论性喷流实际上已经转过来了!

德国波恩马克斯·普朗克射电天文学研究所的宰·金英光是该团队参与该项目的主要负责人。他用了一个有趣的比喻来描述这一现象:这相当于拆解俄罗斯娃娃,拆解它们,发现最里面的那个娃娃的形状实际上与其他娃娃不同。

这真的有点奇怪...

科学家的猜想

科学家对此有什么解释?

多姆·佩斯是哈佛大学和史密森尼大学天体物理学中心的博士后研究员,他认为这可能是喷流过程中的冲击和不稳定性,导致喷流的形状扭曲。这也有可能与高能伽马射线有关。

总之,科学家对这一现象没有完全可靠的解释。目前,他们只能提出假设,然后加以验证。正如宰金英光所说,“每次你打开一扇通向宇宙的新窗户,你都会发现一些新的东西。”

EHT合作委员会主席安东·岑苏斯也表示:“正如我们去年所说的那样:这只是开始。”随着EHT项目的继续,科学家们可能会面临更多被推翻的原创理论,或者意想不到的神秘现象突然出现。正是这些事故使我们的科学理论得以不断发展和进步。

不幸的是,由于新的冠状肺炎疫情的影响,原定于今年3月和4月进行的新一轮EHT观察已经暂停,下一次观察可能要等到明年。在今年剩下的时间里,他们将集中精力整理过去的数据。我希望今年的研究和分析能够解决3C 279给我们带来的难题。

(鸡蛋:文章中提到科学家在观察类星体时发现了超光速现象。3C 279也不例外。天文学家甚至发现,这次它的喷射速度达到了光速的20倍。然而,科学家们并不认为这违反了爱因斯坦的相对论,而是因为喷射出的物质正以接近光速的速度射向我们,几乎赶上了它发出的光,造成了一种它比光速还快的错觉。)

人山人海,很难见面。如果你对科学感兴趣,请不要忘记注意我,让我们不要分开,好吗~

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