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“事件視界望遠鏡”項横眉10日在全球多地同時召開新聞發布會,發布他們拍到的第一張黑洞照片。首次試驗驗證了愛因斯坦的廣義相對論,也開啟了直接觀測黑洞的序幕,期待未來有更多科學發現和研究功效。

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  要點
  

1 數百名科研人員參與合作的“事件視界望遠鏡”項横眉10日在全球多地同時召開新聞發布會,發布他們拍到的第一張黑洞照片。

2 從愛因斯坦的廣義相對論率先預言黑洞的存在,到惠勒提出“黑洞”概念,再到霍金提出“黑洞是時空的扭曲者”……科學家們日益相信,宇宙中存在許多大小纷歧的黑洞,甚至在銀河系的中心就有一個超大黑洞。

  

  

  

  這是人類史上首張黑洞照片。

  黑洞,曾經被認為不成見,如今,它竟被你我成功看見!2019年4月10日,人類史上第一張黑洞的照片公之于眾,人類得以看見黑洞真容!

全球多地同時召開新聞發布會 公布黑洞照片

  數百名科研人員參與合作的“事件視界望遠鏡”項横眉10日在全球多地同時召開新聞發布會,發布他們拍到的第一張黑洞照片。

  照片“主角”是室少女座超巨橢圓星系M87中心的超大質量黑洞,其質量是太陽的65億倍,距離地球大約5500萬光年。照片展示了一個中心為黑色的明亮環狀結構,看上去有點像甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“陰影”,明亮部分是繞黑洞高速旋轉的吸積盤。

  “我很高興地宣布,我們首次看到了曾認為不成見的東西……而這只是開始,”項横眉主任、美國哈佛-史密森天體物理學中心的謝潑德·杜勒曼在美國首都華盛頓說。發布會現場多次響起熱烈掌聲。

  除華盛頓外,中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾和日本東京等地也同時召開發布會。美國《天體物理學雜志通訊》以特刊形式通過6篇論文發表這一重大功效。

  上世紀初,愛因斯坦提出廣義相對論預言了黑洞的存在。這是一種體積極小而質量極大的天體,引力非常強,以至于周圍一定區域內連光也無法逃逸,這一區域被稱為“事件視界”。

  “事件視界望遠鏡”就是為觀測黑洞的“事件視界”而設計的。它由分布在全球多地的射電望遠鏡組成,相當于一臺口徑為地球直徑的超級望遠鏡。2017年4月,從美國夏威夷到智利、從伊比利亞半島到南極的這些望遠鏡在同一時刻對準M87中心黑洞拍照,其難度相當于從地球上給月球概况的一個橙子成像。照片經過近兩年的數據處理及理論分析后“沖洗”完成。

  包含中國科學院上海天文臺在內的一些中國機構參與觀測和數據處理。中科院國家天文臺副臺長薛隨建說,此次參與為中國今后在相關國際合作中發揮更重要作用做了良好示范。

  照片給出黑洞這一極端天體存在的最直接證據,驗證了廣義相對論,也將幫助回答星系中的壯觀噴流如何產生并影響星系演化等諸多前沿問題。

  “黑洞是時空盡頭,存在一些我們想破解的謎團。首次給黑洞拍照可能幫助我們朝著解開這些謎更進一步。”項横眉科學委員會主席、荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克告訴新華社記者。美國哈佛大學理論物理學家亞伯拉罕·洛布形容:“百聞不如一見,一圖抵千言。”

  

愛因斯坦說對了!黑洞照片驗證廣義相對論

  浩瀚星空中,黑洞是極神秘又惹人遐思的天體。

  它,“吞噬”一切,連光也無法逃脫。它,體積小、質量大,可以彎曲周圍的時空。它的“前世今生”帶著重重謎團,讓人好奇無比。

  百余年來,人類探尋黑洞奧秘的腳步從未停歇。

  從愛因斯坦的廣義相對論率先預言黑洞的存在,到惠勒提出“黑洞”概念,再到霍金提出“黑洞是時空的扭曲者”……科學家們日益相信,宇宙中存在許多大小纷歧的黑洞,甚至在銀河系的中心就有一個超大黑洞。

  多年來,一些間接證據陸續證實黑洞的存在,人類不斷插上科幻翅膀勾畫黑洞容顏。

  科幻電影也在不斷“幻想”黑洞影像。在電影《星際穿越》中,黑洞“卡岡圖雅”是那深不見底的黑色中心與明亮立體的氣體圓圈。

  就在4年前,兩個黑洞合并產生的引力波信號被科學家“捕获”到,成為科學界的一個里程碑事件,人類開始“聽”到黑洞。

  這一次,人類終于眼見為實。

  此次露出真容的黑洞,位于室少女座一個巨橢圓星系M87的中心,距離地球5500萬光年,質量約為太陽的65億倍。它的核心區域存在一個陰影,周圍環繞一個新月狀光環!

  “觀測結果與理論預言非常一致,這證實在黑洞這樣的極端條件下,廣義相對論仍然成立。”中國科學院上海天文臺臺長沈志強說,先輩科學家為我們這個世界搭建的理論模型,再次經受住考驗。

  上海天文臺研究員路如森難掩興奮:“黑洞的阴影區域和光環,相當于打開一扇窗,未來可以更好地重構黑洞‘吞噬’的物理過程,深入了解這個過程中發生的奇異事件。”

這是4月10日在比利時布魯塞爾拍攝的新聞發布會現場。 新華社記者 張鋮 攝

人類首張黑洞照片的三大看點

  人類獲得的首張黑洞照片10日面世。這一重大科學功效由全球多國科研人員歷經數年合作完成。那么,這張照片在科學上有多重要?拍到黑洞照片有多難?中國又發揮了什么作用?

  “具有歷史性意義” 

  兩百多年前,就有科研人員設想宇宙中存在一種質量巨大、引力強到連光也無法逃脫的天體。愛因斯坦在一百多年前提出的廣義相對論,可用于計算出這種天體的若干性質。但黑洞作為一個科學術語,直到20世紀60年代才由美國天體物理學家約翰·惠勒提出。

  幾十年來,黑洞引發人們無數遐想,但沒有人知道它的真正模樣。正因為這個,第一張黑洞照片才備受期待,被譽為“非凡的科研功效”,是天文學上的“重要里程碑”,“具有歷史性意義”。

  給黑洞拍照的“事件視界望遠鏡”項横眉科學委員會主席、荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克告訴新華社記者,黑洞涉及人類對宇宙的根本了解,“我們的宇宙中有兩大理論,愛因斯坦的相對論描述了宏觀,量子力學描述了微觀,但是在黑洞的邊緣,相對論與量子力學無法協調,在那里可能會發現新的東西”。

  美國亞利桑那大學天文學副教授丹尼爾·馬羅內認為,黑洞之所以重要,是因為它在長時間尺度上會影響宇宙演化。但人們并沒有完全了解黑洞如何吞噬物質,然后又將其中一部分以接近光速向外噴射,影響其所在星系。黑洞照片不僅將為廣義相對論提供新信息,也有助于了解黑洞噴流的形成過程。

  1919年,人們在非洲和南美出現日食時觀測到光線的彎曲,從而驗證了廣義相對論相關預言的正確性。百年后發布的黑洞照片,又一次支持廣義相對論。不由讓人想起被多次重復的那句話:愛因斯坦又對了。

  “上一代人不成能做到的事” 

  由于光線無法逃出黑洞,科研人員要拍的實際上是黑洞產生的“陰影”以及周圍的吸積盤等,從而描繪出黑洞的輪廓。此次拍照的一個横眉標是代號為M87的超巨橢圓星系中心黑洞,它的質量是太陽的65億倍,但離我們實在太遠,達到5500萬光年。

  要拍攝這么遠的對象,科學家模擬出口徑像地球一樣大的望遠鏡,這就是“事件視界望遠鏡”,它集合了分布在全球各地的多個射電望遠鏡。從智利阿塔卡馬沙漠到南極冰原,從西班牙的高山到夏威夷的海島,8個射電望遠鏡通過“甚長基線干涉測量技術”聯合起來,成功拍到人類歷史上第一張黑洞照片。

  談及給黑洞拍照的難度,項横眉協作委員會主席、德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長安東·岑蘇斯打例如說:“如果地球是平的,那使用這一技術可以從波恩看清紐約街頭報紙上的字。”

  經大約兩年的數據處理及理論分析,照片才成功“沖洗”出來。照片展示了一個中心黑色的明亮環狀結構,有點像甜甜圈,也與此前科幻電影《星際穿越》科學顧問根據相對論等模擬的黑洞圖片相似。“事件視界望遠鏡”項横眉專家認為,與理論預測一致,這也證明拍到的就是黑洞。

  “我們已經完成了上一代人認為不成能做到的事情,”項横眉主任、美國哈佛-史密森天體物理學中心的謝潑德·杜勒曼總結說,“技術的突破、世界上最好的射電望遠鏡之間的合作、創新的算法都匯聚到一起,打開了一個了解黑洞的全新窗口。”

  此外,此次合作匯集了全球超過200名研究人員的共同努力,項横眉協調并不是易事。項横眉科學委員會主席法爾克說:“分歧文化、分歧機構、分歧國家和大洲(的科研人員)走到一起合作其实不容易,但如果有共同愿景的驅動,有首次看到黑洞的共同夢想,合作就變得可能。”

  “期待中國成為重要一員” 

  在“事件視界望遠鏡”項横眉中,中國科學院天文大科學研究中心(國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺)參與了位于美國夏威夷的東亞JCMT望遠鏡對黑洞的觀測,多名中國學者是此次黑洞照片相關論文的作者。

  不過,中國天文學界清醒地認識到横眉前的“參與者”角色。中國科學院國家天文臺副臺長薛隨建指出,這次“算是重在參與”,但為在相關科研領域“機制性參與國際合作組織、逐漸發揮越來越重要的作用,做出了良好的示范”。

  毫無疑問,“在中國科學界參與的三十米望遠鏡(TMT)等其他重大國際項横眉中,那些可預期和不成預期的重大發現將更加激動人心,”薛隨建在接受新華社記者采訪時說。

  太空可能是中國未來能發揮更多作用的地方。法爾克說,今后要拍攝更好的黑洞照片,就需要比地球還大的望遠鏡,這就需要走向太空,“中國在射電干涉測量技術和太空探索方面的能力正快速增長,我期待未來中國能成為這個領域的重要一員”。

  回顧與國際同行共同拍出人類首張黑洞照片的經歷,中國科學院上海天文臺研究員路如森說:“作為長期深度參與‘事件視界望遠鏡’國際合作的中國研究人員,我覺得這張黑洞照片是科學共同體的努力結果。科學對人類發展至關重要,人類的科學共同體也是人類命運共同體的重要組成部分。”

  

    4月10日,中國科學院上海天文臺臺長沈志強主持新聞發布會,發布人類史上首張黑洞照片。新華社記者 方喆 攝

拍照難在哪?用難以想象的計劃尋找“至暗信號”

  給黑洞拍照的難點,在參與此次大科學計劃的專家眼中,可以用三個字來形容:“小”“暗”“擾”——細節太小,信號太暗,干擾太多。

  黑洞如此遙遠,尋找它如同從地球觀察月球上的一個橘子,需要的望遠鏡口徑超乎想象。況且,這個望遠鏡還要足夠靈敏,才能“看”得清極其微小的細節。

  自400多年前伽利略發明望遠鏡以來,人類科技水平的飛速提升讓望遠鏡的口徑越來越大、“分工”越來越細。但要給黑洞拍照,依靠人類現有任何單個天文望遠鏡都遠遠不夠。

  這是一個難以想象的大科學計劃:用分布全球的8個觀測點,組成一個口徑如地球直徑大小的虛擬望遠鏡。條件苛刻的觀測點,包含夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點等。

  要順利拍照,不僅要“看”得遠,還要選對頻道。“對黑洞成像而言,最佳的波段進行觀測至關重要,這個波段就在1毫米附近,成像的分辨率相當于能在黑龍江漠河閱讀南沙群島上的一張報紙。”路如森說。

  分歧的望遠鏡各有所長。正是給黑洞拍照的這一特殊要求,讓包含“中國天眼”在內的一些大型望遠鏡“束手旁觀”。

  專家解釋,這一波段的黑洞電磁波輻射最明亮,而布景“噪音”的干擾又最小。

  拍照難,洗照也不容易。望遠鏡記錄下的海量數據,需要進行復雜的后期處理和分析,才能獲取最終的黑洞圖像。

  以2017年4月的觀測為例,每個臺站的數據率達到驚人的32GB/秒,8個臺站在5天觀測期間共記錄約3500TB的數據。專家暗示,如果是像看電影一樣不間斷地看,這些數據至少需要500多年才能看完。

  該國際合作項横眉負責人、哈佛大學教授謝潑德·多爾曼暗示,10多年來,正是技術的突破、新望遠鏡的建成,最終使人類能夠“看到”黑洞。

躋身一流,中國成為國際科學合作重要參與者

  從首張月背照片到首張黑洞照片,人類觀測宇宙的新窗口正在不斷打開。在探索宇宙奧秘的征程中,中國也不斷貢獻著智慧。

  我國科學家全程參與了給黑洞拍照這項國際合作,在早期推動這一項國際合作、望遠鏡觀測時間申請、夏威夷望遠鏡觀測運行、后期數據處理和理論分析等方面均做出了貢獻。

  沈志強說,基礎科學研究的國際合作是大勢所趨,但很多時候不克不及只靠經費投入“湊份子”,前期研究和人才積累是取得合作“話語權”的重要因素。

  從“中國天眼”(FAST)到“世界巨眼”(SKA),從人類基因組測序到泛第三極環境研究,近年來,中國參與國際合作的廣度和深度不斷加大,在吸收世界創新養分的同時,也不斷貢獻中國智慧。

  隨著全球射電天文學方興未艾,接連涌現類星體、脈沖星、星際分子和微波布景輻射四大天文發現。近年來,我國陸續建成多座射電望遠鏡,口徑從25米到65米再到500米,從追趕到并跑,天文學研究開始逐步躋身一流。

  “過去一二十年間,中國在射電天體物理學、天文學等領域取得了巨大進展,在此次國際合作中做出了不成或缺的貢獻。”荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克說,隨著中國的射電干涉測量和太空探索能力迅速增長,中國將成為國際科學合作的重要參與者。

  黑洞的順利成像不是終點。

  主持歐洲地區發布會的德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長安東·岑蘇斯強調,未來還將增加望遠鏡的數量,甚至對新的黑洞進行觀測,繼續驗證廣義相對論的有關預測,借此了解星系的形成和演進,為人類解開更多奧秘……

  愛因斯坦說,科學是永無止境的,它是一個永恒之謎。

  “在偉大夢想的支持下,人類科學探索的腳步,將永不断歇。”沈志強說。

黑洞照片開啟直接觀測黑洞的序幕 天文學家期待更多發現

  人類首張黑洞照片北京時間10日晚在全球多地同步“驚艷”亮相,引發廣泛而持續關注。分歧于普羅大眾對黑洞照片“戲謔狂歡”的接力,天文學家暗示,事件視界望遠鏡(EHT)成功獲得超大黑洞的第一個直接視覺證據,不僅首次試驗驗證了愛因斯坦的廣義相對論,也開啟了直接觀測黑洞的序幕,期待未來有更多科學發現和研究功效。

  “這次(獲得黑洞照片)是世界上望遠鏡協同觀測取得的巨大成功,開啟了直接觀測黑洞的序幕。”中國科學院國家天文臺副臺長薛隨建對中新社記者說,預計EHT這個1.3毫米波段的綜合孔徑成像技術還有很大的進步空間,例如增加更多望遠鏡,或者現有望遠鏡的升級還能使得成像更加清晰,對黑洞質量以及自轉參數測量精確。同時,也有望擴大觀測樣本,實際上每個星系的中心都隱藏一個大質量的黑洞,以更加精確檢驗廣義相對論理論。“這方面人類的好奇心,也驅動技術的不斷進步和迎接新挑戰,在更短的波段,好比亞毫米波,不斷提高成像的分辨率,去揭示更多的科學細節”。

  他指出,EHT項横眉這次發現的重大意義還在于展示了一個數百億公里范圍人類還無法認知的時空區域,在這里面所有的物理理論都無法自洽的描述其物理狀態,“人類認知的挑戰如此具體和實在,相信一定有突破的那一天,這也是天文學重大發現將又一次帶動物理學革命的鮮活實例”。

  全世界200多位科學家合作完成的一項重大天文學功效——人類首張黑洞照片,北京時間4月10日晚在全球多地同步發布。事件視界望遠鏡(EHT)宣布,已成功獲得超大黑洞的第一個直接視覺證據,該黑洞圖像揭示了室少女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞,它距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。

  人類首張黑洞照片的圖像揭示了室少女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞,它距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。在EHT上海發布會上,中科院上海天文臺臺長沈志強研究員強調,“對M87中心黑洞的順利成像絕不是EHT國際合作的終點站,我們期望也相信在不久的將來EHT會有更多令人興奮的結果”。

  他接受媒體采訪時說,基礎科學研究的國際合作是大勢所趨,希望通過成功開展EHT國際合作,能提升中國在黑洞探測等方面的研究能力,并未來參與國際大項横眉合作有很好的借鑒作用。

  EHT觀測使用了甚長基線干涉測量(VLBI)技術,觀測波段是1.3毫米。世界各地的射電望遠鏡同步觀測,同時利用地球自轉,形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡,最終成功獲得5500萬光年外的超大黑洞照片。

  沈志強介紹,參與EHT項横眉的中國科學家,不僅通過聯合運行位于夏威夷的James Clerk Maxwell望遠鏡(JCMT)開展觀測,還積極利用中日韓組成的東亞VLBI網,在整個EHT項横眉觀測期間對M87黑洞進行非常密集的觀測。因為波長越短,分辨本領越高,中科院上海天文臺希望從1。3毫米邁向更短的波長,已在今年3月份開展新的1毫米VLBI技術測試,希望通過這樣一個新技術,在更短波長上的探測,能夠得到更多來自銀河系中心(銀心)黑洞、M87超大質量黑洞以及更多宇宙間黑洞的信息。

  “這次的直接成像除了幫助我們直接確認了黑洞的存在,同時也通過模擬觀測數據對愛因斯坦的廣義相對論做出了驗證。”中科院國家天文臺研究員、恒星級黑洞爆發現象研究創新團組負責人茍利軍指出,在EHT的工作過程和后來的數據分析過程中,科學家們發現,所觀測到的黑洞陰影和廣義相對論所預言的幾乎完全一致,“令人不由再次感嘆愛因斯坦的偉大”。

  他認為,人類首張黑洞照片的另外一個重要意義在于,科學家們可以通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質量,這次就對M87中心的黑洞質量做出一個獨立的測量。不過,受限于觀測分辨率和靈敏度等因素,横眉前的黑洞細節分析還不完善。未來隨著更多望遠鏡加入,“我們期望看到黑洞周圍更多更豐富的細節,從而更深入地了解黑洞周圍的氣體運動、區分噴流的產生和集束機制,完善我們對于星系演化的認知與理解”。

  中科院上海天文臺研究員路如森說,經過近兩年的數據處理和分析,首次全球合作的EHT觀測數據獲得M87星系中央黑洞的圖像已經面世,為驗證廣義相對論提供了最直接的視覺證據。JCMT還將新安裝一個345GHz的接收機用來進行下一輪EHT觀測,這意味著未來將得到更清楚的VLBI圖像,也是對横眉前結果的多重驗證。“如果說黑洞的圖像是EHT系統開出來的花朵,那就讓這朵花開得更絢麗些吧”。

  他暗示,對M87黑洞的順利成像將激發人們對于黑洞研究的更多興趣和熱情。横眉前,對2017年M87黑洞的觀測數據仍在繼續分析中,研究人員希望通過對輻射的偏振研究來獲取黑洞周圍的磁場性質,這對理解黑洞周圍的物質吸積及噴流形成至關重要。同時,另一個最佳成像候選體——銀心黑洞的質量更加確定,相信隨著后續更多的觀測臺站加入EHT,以及數據質量(靈敏度)的提升,“我們完全有理由相信,在不久的將來EHT能夠獲得銀心黑洞更加清晰的圖像”。

  (綜合新華社、中新網)