黑洞是近年科學(xué)領(lǐng)域的熱門話題,2020年諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給了三位進(jìn)行黑洞相關(guān)研究的科學(xué)家。除此之外,人類首張黑洞照片也是學(xué)術(shù)界的大明星。第三屆世界頂尖科學(xué)家論壇科學(xué)前沿話題講堂,邀請到拍下這張照片的事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)項目負(fù)責(zé)人謝普德?多爾曼,介紹黑洞研究的最新進(jìn)展。
謝普德?多爾曼(Sheperd Doeleman),美國天體物理學(xué)家,哈佛大學(xué)-史密森天體物理學(xué)中心的資深研究員,事件視界望遠(yuǎn)鏡項目的負(fù)責(zé)人。
他因其“用相當(dāng)于地球大小的望遠(yuǎn)鏡陣列,為人類拍下首張超大質(zhì)量黑洞的照片”而獲得2020年度基礎(chǔ)物理科學(xué)突破獎。
多爾曼指出,人類如今生活在一個研究黑洞和相關(guān)物理學(xué)的黃金時代。而EHT項目的主要目的就是為了捕捉一張黑洞圖像。
通過激光干涉引力波天文臺(LIGO)取得的引力波探測數(shù)據(jù),科學(xué)家們在觀察黑洞周圍恒星軌道的同時測算了黑洞的質(zhì)量。而EHT項目則讓科學(xué)家們對黑洞的事件視界邊緣有了更為深刻的了解,通過數(shù)據(jù)檢驗其是否能夠最大程度地接近其預(yù)言的黑洞,來驗證愛因斯坦的廣義相對論。
在驗證廣義相對論的基礎(chǔ)上,黑洞數(shù)據(jù)還能夠在實驗室里被用作極端實驗,優(yōu)化廣義相對論的實驗驗證,同時了解黑洞是如何向星系中心提供能量,形成人類所看到的壯觀景象。
事件視界望遠(yuǎn)鏡的主要目標(biāo)之一,是觀察黑洞在夜空中產(chǎn)生的活躍現(xiàn)象。多爾曼通過運用事件視界望遠(yuǎn)鏡觀察的兩個天體,以及相關(guān)的圖像對此進(jìn)行更為詳細(xì)的說明。
第一個天體是人馬座A*。今年諾貝爾物理學(xué)獎的獲獎團(tuán)隊觀察了圍繞人馬座A*運行的恒星軌道,通過這條軌道可以測算出這個物體的質(zhì)量相當(dāng)于400萬個太陽。這個天體與地球的距離相當(dāng)于地球與銀河系中心之間的距離,這是迄今為止科學(xué)家所見過最好的,最能表明銀河系中心,甚至是其他星系存在超大質(zhì)量黑洞的證據(jù)。
第二個天體是M87星系。天文學(xué)家希伯?柯蒂斯于1918年發(fā)現(xiàn)這個星系的物質(zhì)噴流。宇宙中幾乎沒有其他的能量源可以解釋這些在大約10%的星系中都能看到的相對論性噴流,只有通過旋轉(zhuǎn)超大質(zhì)量黑洞所產(chǎn)生的引力吸積才能提供這么大的能量。
多爾曼通過全球毫米波特長基線陣列圖——目前噴流中心區(qū)域顯示度最好的圖像,來解釋“黑洞陰影”的光環(huán)。“黑洞陰影”指的是從較遠(yuǎn)距離觀察黑洞時,多條光線在黑洞周圍發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。如果能觀測記錄到圍繞超質(zhì)量黑洞周圍的這圈可視物質(zhì),就能立馬驗證愛因斯坦的理論,還能測量黑洞本身的質(zhì)量,證實科學(xué)家對黑洞的其他信息作出的估算。
在研究過程中,多爾曼團(tuán)隊面臨的重大挑戰(zhàn)之一,就是捕捉黑洞事件視界。只有1mm的波長可以跨越重重困難,從事件視界抵達(dá)到望遠(yuǎn)鏡。觀測黑洞所需的角分辨率大約是20微角秒,小于黑洞陰影部分的數(shù)值。但由于可見的角直徑微乎其微,傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的分辨率無法做到這一點,因此重新設(shè)計干涉儀成為了多爾曼團(tuán)隊研究的重點。
為了重新設(shè)計干涉儀,多爾曼團(tuán)隊運用和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡運作原理類似的甚長基線干涉測量技術(shù),通過將多個分布于世界各地的望遠(yuǎn)鏡組成一個大型虛擬望遠(yuǎn)鏡面網(wǎng)絡(luò),將清晰的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。經(jīng)過實驗,多爾曼團(tuán)隊獲得了和預(yù)期基本一致的數(shù)據(jù),再一次驗證了原本的假設(shè)。
在提到EHT項目未來的推進(jìn)情況時,多爾曼表示,研究團(tuán)隊會在目前使用的觀測點建造望遠(yuǎn)鏡并改進(jìn)陣列,爭取再現(xiàn)噴流噴射區(qū)域的所有細(xì)節(jié)。在下一階段的EHT項目中,實現(xiàn)實時觀測人馬座A*的演化過程,并針對黑洞是如何噴射高能噴流這個疑問給出答案。
EHT是一個國際大科學(xué)項目,其成員遍布全球各地。多爾曼特別向來自不同國家的團(tuán)隊成員致謝,并強(qiáng)調(diào)了全球合作解決共同面臨難題的重要性。
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