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科学家将公布证明黑洞存在照片 揭秘神秘阴影(图)

时间2009-05-31 11:00:29作者:新浪科技
本文关键词:黑洞 银河系 星系 宇宙

人马座A星,科学家希望不久能看到人马座A星黑洞的黑色轮廓

钱德拉望远镜照片显示人马座A星是X射线的源头

M87星系将成为黑洞研究的焦点

M104星系也被认为有一个大黑洞

NGC 5128星系

  据英国《新科学家》杂志报道,美国一个研究小组日前表示,他们有望在未来几个月公布一组证明黑洞存在的照片,首次揭开这个神秘物体的庐山真面目。

  对广义相对论最严格检验

  银河系中心有一片阴影,科学家一直认为,我们看到的阴影其实是一个超大质量黑洞留下的。在那里,引力规则是至高无上的,周围的光线被吞噬,将空间结构拉伸到拐点。黑洞也许是最大胆的科学预测,纵然我们可以绘制出理论上的黑洞图片,找到许多看似黑洞的天体的证据,但迄今从来没有人真正看见过黑洞。

  这一切或许会在几个月内改变。天文学家正在整合地球上多台微波望远镜资源,将其变成迄今最精确的天文观测仪器。他们会将这只“大眼”转向银河系中心一个超大质量黑洞所在位置,即代号为“人马座A星”(Sag A)的黑洞。即便目前尚未建成,但这个“微波巨眼”已拍摄到一张人马座A星的迷人靓照。

  去年9月,一个由美国麻省理工学院赫斯塔克天文台(Haystack Observatory)天文学家舍普·多尔曼(Shep Doeleman)领导的一个研究团队发表了多篇论文,足以证明人马座A星黑洞的存在。

  多尔曼及其团队希望我们不久能看到人马座A星黑洞的黑色轮廓。接着,他们希望看到坠向黑洞的物质,勾画出黑洞遭扭曲的时空画面。通过这些数据,科学家将得到黑洞形成和发展过程的信息。这些观测数据还会是迄今对爱因斯坦广义相对论的最严格检验。广义相对论预测了黑洞的存在。如果广义相对论是错误的,多尔曼的团队可能根本看不到黑洞,而是更加奇怪的东西。

  质量相当于450万个太阳

  我们确信无疑的一点是,一个庞大的神秘天体隐藏于银河系中心——因为它强大的引力影响着附近恒星和气体的运动。这一神秘天体的质量是太阳的450万倍,涌进了一个大小相当于内太阳系的区域。让物质以如此紧密聚在一起的办法十分罕见。一大群中子星或小质量黑洞均高度不稳定。所以,科学家认为最好的解释就是超大质量黑洞。

  超大质量黑洞被认为处于多数大星系的中心。在一些所谓的活动星系,大量气体被卷入黑洞,在黑洞周围形成一圈炽热物质,常常令周围数十亿颗恒星变得黯然失色。我们的银河系显然就没有黑洞那么好运气,只能依靠附近恒星喷射的一层稀薄的气体存活。随着气体向黑洞方向运转,它会加热并照亮黑洞,尽管看上去远比活动星系内的圆盘状物体昏暗。此时,从无线电到X光线,各类电磁辐射物喷射而出,场面蔚为壮观。

  当然,黑洞自身确实不会发光,但它可以吞噬光。这是我们希望可以看到的结果:黑洞周围气体发出的光被吞噬,这样一来,在炽热的发光气体的背景下,黑洞就成了一个阴影或轮廓。看到这片阴影绝非易事。它没有轮廓鲜明的边缘,因为我们依旧会在黑洞前面看到光和气体释放的其他放射物。另外,阴影范围十分小。

  按照爱因斯坦相对论的解释,一个质量相当于450万个太阳的超大质量黑洞的直径应该为2700万公里,即便其引力会让附近光线弯曲,看上去是真正大小的两倍,但这个黑洞看上去仍旧非常小。从地球上看去,这可能覆盖大约50微角秒(micro-arcsecond)的角度——这好比一个出现在月球上的足球,或是整条手臂上的一个细菌。

  初期研究结果令人失望

  普通望远镜根本看不到这种小黑点。于是,多尔曼正通过一种成熟的技术“甚长基线干涉测量法”(very long baseline interferometry)探寻这种可能性。通过将全球各地天线的观测数据结合起来,天文学家可以有效重建大型天线看到的物体——即便像地球一样大的物体。由于小天线很少搜集光,VLBI望远镜生成的图像可能并不理想,但它却可以揭示更多的细节。

  以前VLBI望远镜对银河系中心的观测距离太遥远,根本看不清楚黑洞的阴影。最初,我们将穿透银河系最拥挤的区域,在那里,大量气体驱散无线电波。哈佛大学天体物理学家艾维·罗布(Avi Loeb)说:“看上去就像是浓密的大雾令街灯的照片显得很模糊。”更糟糕的是,黑洞周围的气体对大多数波长来说都是不透明的,这犹如给阴影上蒙上了一层纱。

  图像的清晰度基本上取决于观测到的辐射物的波长,波越长并没有让我们获得更清晰的照片,相反更模糊。幸运的是,如果望远镜可以在波长为1毫米左右的情况下工作,那么上述问题全都迎刃而解。这种短波辐射可以穿透星际薄雾和气体内的面纱。另外,从理论上讲,如果一台望远镜的天线分布于数千公里的范围内,其清晰度足以看到黑洞阴影。事实上,天线之间间隔越大,清晰度越好。

  多尔曼的团队在对VLBI望远镜进行改进后,令其可以在1.3毫米超短波范围内工作。2007年4月,他们利用架设在亚利桑那州、加利福尼亚州和夏威夷州三地山顶的望远镜眺望太空,但观测结果却令人失望。尽管它们捕捉到人马座A星中心区域的辐射信号,但却没有掌握获取有关这个黑洞清晰照片的足够信息。

  揭开神秘阴影庐山真面目

  多尔曼说:“我们具有匹配这一数据的两种模型。”在第一个模型,人马座A星看上去就像是一个中心有个大洞的炸面圈,这或许是个超大质量的黑洞。不幸的是,他们的观测数据还显示一团白色的喷射物质,并无明显的黑洞阴影。即便如此,这些早期观测数据也是人马座A星确属于黑洞的强烈迹象。据加拿大多伦多大学天文学家艾弗里·布罗德里克(Avery Broderick)介绍,研究结果表明它几乎肯定具有“事件穹界”,即黑洞的重要特征。

  事件穹界是事实上并不存在的边界,在这一边界内,任何物质都逃不脱黑洞引力的控制。穿越这一范围的物质会慢慢被吞噬,连辐射物都不会释放。有些理论则认为,那其实不是黑洞,而是称为玻色星体(boson star)的、由大量重量很轻的颗粒构成的球体,它们可能具有物理表面而非边界。这些表面可能会被落在上面的气体加热。

  布罗德里克同哈佛大学的罗布和拉梅什·纳拉亚(Ramesh Narayan)一道,分析了多尔曼的研究结果,认为如果人马座A星具有一个表面,那么这个表面可能热得会发光,不断释放红外光。事实上,天文学家尚未观测到这种发光现象。他们总结认为,事件穹界给人马座A星蒙上了一层外衣,让我们根本看不到里面的东西。

  这一结论可能还存在诸多漏洞,所以,真正看到黑洞本身当然更好。今年4月,多尔曼重返夏威夷,为增长望远镜的敏感度,他决定尝试利用莫纳克亚山顶上的三台望远镜而不是以前的一台。他在4月3日的一次会议上表示:“我认为,我们今晚已向大家证明我们可以做到这一点。”经过几个月的处理,最新观测数据应该最终会揭开银河系中心神秘阴影的庐山真面目。

  多架望远镜协同“作战”

  位于美国加州的CARMA望远镜阵列,由6具10.4米直径,9具6.1米直径,8具3.5米直径的天线组成

位于夏威夷的JCMT望远镜

位于智利的ALMA阵列

  发现第一个昏暗的污点将只是一个开始。杜勒曼希望使用更短同时更为“锋利”的0.87毫米波长。与此同时,越来越多的望远镜也将联合起来,帮助研究人员进一步揭开这颗黑洞的神秘面纱。

  地球“微波眼”的中心将位于智利的山脉沙漠地区,在这里,阿塔卡马大型毫米/次毫米望远镜阵列(以下简称ALMA)正在制造之中。据悉,所有66个碟形卫星天线将于2012年竣工并投入使用。杜勒曼说:“重达800磅的ALMA将成为‘微波眼’的新主力成员。”通过与地球上的其它望远镜相配合,ALMA能够提供一幅更为清晰的Sag A图片,同时也可能发现M87星系内一个更为庞大的黑洞。

  形象地说,ALMA也能为我们拍摄一部黑洞电影。杜勒曼说:“最令我感到兴奋的是,我们能够将目光聚焦时间变异性。”在很多波长条件下进行的观测揭示了盘旋在Sag A周围的气体产生的辐射突然爆发。利用甚长基线干涉测量法,杜勒曼希望对这些盘旋的并且实时被穹界吞噬的小闪光进行观测。他说:“这可能是这部影片的最珍贵的镜头’。”

  旋转成关注焦点

  这种观测能够揭示研究人员急于想知道的一个有关黑洞的问题,即它们的旋转。相对论指出,一个旋转的黑洞将在太空结构中形成一个漩涡,这种现象被称之为“引力框架拖曳”。距离黑洞较近的热点将被拖进这个漩涡,这些热点的移动将暴露Sag A的旋转速度。此外,我们也可因此了解这颗黑洞的过去,原因在于:它的旋转依靠其吞噬的使之成为当前“重量级”黑洞的物质。

  牛津密西西比大学的伊曼纽尔·伯蒂(Emanuele Berti)以及安娜堡密歇根州大学的马尔塔·沃伦特里(Marta Volonteri)对黑洞一些不同“食物”产生的影响进行了计算。Sag A在成长过程中可能遵循一个稳定的“饮食”结构,即吞噬星系气体。星系气体共享星系的所有旋转,在逐渐靠近黑洞过程中形成一个螺旋运动速度越来越快的盘,就像水从放水孔流出一样。在星系气体完全被吞噬时,它的旋转便成为黑洞的一部分。如果Sag A的绝大多数重力都以这种方式增长,它的旋转可以提升到相对论可能允许的最大值。

  此外,Sag A也可能通过吞噬任意轨道附近大量资源的气体逐渐成长壮大。这些“食物”随机定向的旋转在很大程度上彼此抵消,也就是说,Sag A的旋转速度可能很低。另一种可能性是,Sag A分层次成长,就像体积较小的星系合并形成银河系一样。每一个星系带来自己的大质量黑洞,所有这些黑洞合并在一起,最终形成Sag A。在伯蒂和沃伦特里的模拟中我们看到,经常只需适度的旋转便可形成一个黑洞。

  广义相对论面临挑战

  当然了,所有这些均建立在假设爱因斯坦广义相对论成立基础之上。在爱因斯坦提出这一理论几乎过了一个世纪之后,广义相对论仍旧是我们有关重力的最理想理论,并且与行星轨道以及引力透镜效应的精确观测结果相匹配。布罗德里克说:“广义相对论的完美程度几乎达到令人为难的程度。”

  但科学家从未在黑洞附近的超强引力条件下验证这一理论,此时的广义相对论预言面临最为极端的一种情况。布罗德里克希望通过跟踪热点在扭曲空间的移动,对广义相对论进行修订。他说:“最理想的方式就是让一名大学生手持激光指示器进入星系中心。如果这些闪光真的出现,我们便可用它们替代。”

  通过确定Sag A附近时空准确形态,这部有关闪光的电影便可将相对性和一些相竞争理论——用于解释恒星与星系的不规则运动更多地与暗物质和暗能量有关——区分开来。与相对性相竞争的理论包含一些复杂的想法,例如标量-张量-矢量引力以及f(R)引力。

  杜勒曼4月进行的最新观测能否发现一些奇怪的事情?穹界是否拥有一个奇怪的形状?又或者一无所获。布罗德里克说:“在此之后,我们便要面临一个问题。”一种可能性是,在超强引力情况下,相对论是完全错误的。另一种可能性是,银河系中心的“怪物”Sag A要比我们认为的更为昏暗。(孝文)

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