新闻

黑暗变得可见

Hide authors and affiliations 查看所有 隐藏作者和隶属关系

科学 2019年12月20日:
卷 366,第6472版,第1434-1435页
DOI:10.1126 / science.366.6472.1434

一个国际天文学家团队制作了有史以来第一个黑洞图像。

3个人的选择


嵌入式影像

模拟物质在Messier 87中心的黑洞周围旋转并辐射不同波长的模拟。 围绕着黑洞阴影的一圈明亮的光环穿过薄雾,从其极点喷出的绿色强卷须。

图像:LIA MEDEIROS / CHI-KWAN CHAN / DIMITRIOS PSALTIS / FERY OZEL / ARIZONA大学/研究所进行深入研究

黑洞无处不在,巨大,无处不在,在某些情况下甚至与我们的太阳系一样大。 它们的引力对它们周围物体的影响,以及最近它们碰撞时发出的引力波揭示了它们的存在。 但是直到4月,再也没有人直接看到过。 那时,一个国际射电天文学家团队发布了一个惊人的特写镜头黑洞“影子”的图像,显示出一个黑暗的心脏被光子在其周围形成的光环围绕着。 荷兰奈梅亨市拉德布德大学的海诺·法尔克(Heino Falcke)是产生图像的团队的成员,他说,第一眼的感觉就像是“看着地狱之门”。那令人回味的图像是《 科学 》杂志的2019年年度突破。

对于天文学家来说,这张图像是数十年来他们对看不见的神秘物体进行理论研究的验证。 加利福尼亚州帕洛阿尔托市斯坦福大学的天体物理学家罗杰·布兰德福德(Roger Blandford)说:“我还是很震惊。” “我认为我们没有人想象过产生的标志性图像。”实际上,直到最近,很少有天文学家认为这样的图像是可能的。 根据宇宙标准,黑洞非常小,并且从定义上讲不会发光。 当它们长成巨大的质量时,就像在银河系中心发生的那样,气体,尘埃和恒星的旋转混乱由于其极高的重力而搅动,形成了额外的屏障。


嵌入式影像

银河系Messier 87中心黑洞的标志性图像,显示了由其引力弯曲的光子环。

图像:EHT协作/ CC 4.0

但是,在20年前,少数天文学家开始怀疑靠近巨大黑洞边缘或事件视界的热旋流气体是否可能使其可见。 它们以多种波长发光,包括毫米波,即可以穿透银河系中心周围的气体和尘埃的短波无线电波。 技术的发展有望提供帮助。 一项被称为超长基线干涉测量(VLBI)的技术可以将距离较远的无线电天线的数据结合起来,以模拟更大的望远镜,从而可以更精细地显示远处的物体。 接收器,天线设计和数字电子技术的改进使射电天文学家可以捕获毫米波。 通过在这些波长下观察,使用尽可能远地分布的培养皿以提高分辨率,它们是否可以分辨出黑洞的细节?

在我们的网站上

有关年度突破的更多信息,包括视频和播客,请访问: https//scim.ag/Breakthrough2019

也许,如果它是一个拥有数百万个太阳且相对较近的怪物。 在我们银河系中心的400万太阳能黑洞,即射手座A *(Sgr A *),是一个明显的竞争者,它距地球仅26,000光年,与地球最接近。 尽管它很重,但从银河系的角度来看它还是一个很小的物体,它可以放入水星的轨道内,而对其成像则可以将VLBI推向极限。

大约在十二年前,在夏威夷和美国本土使用望远镜进行的早期尝试揭示了Sgr A *附近的过热气体的细节碎片。 望远镜还瞥见了第二个潜在目标:附近星系Messier 87中心的超大质量黑洞。尽管M87距地球的距离是Sgr A *的2000倍,但其黑洞M87 *的距离却超过了1000乘以质量,因此它在天空中的大小大致相同。 随着观察结果开始硕果累累,供资机构开始介入,国际事件地平线望远镜(EHT)诞生了。

尽管它的名字叫EHT,但它不是望远镜,而是一个由全球200多名科学家组成的财团。 它适用于现有望远镜上的时间-尽可能多,并且间距尽可能大。 在大多数望远镜中,EHT成员必须安装自己的设备,包括高数据速率数字处理器和原子钟,以使该仪器对VLBI友好。 当EHT征募Atacama大毫米/亚毫米阵列(ALMA)时,出现了一个转折点。 它由智利北部沙漠山区的66个高盘组成,是迄今为止最大的毫米波天文台。 让EHT团队进入,打开引擎盖,并修补这笔15亿美元的美欧日合作项目的引擎,花费了多年的说服力和一些被拒绝的设计,但添加ALMA将EHT的灵敏度提高了10倍。

2017年4月,一切就绪,进行了为期10天的大型观察。 ALMA与美国,墨西哥,智利,西班牙和南极的其他七个天文台一起,对Sgr A *和M87 *进行了连续一整夜的曝光。 “我们非常幸运。” EHT的创始董事Shep Doeleman说,她位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛-史密森天体物理学中心。 但是EHT团队要知道已经实现了将近2年的时间。

在德国和美国的数据中心并行工作,独立的团队使用几种不同的方法来校准和处理数据,而其他团队则独立检查结果。 为了避免使结果有偏差,直到最后都不会产生图像。 这些团队开始并行研究Sgr A *和M87 *,但是当他们发现围绕Sgr A *旋转的材料每小时变化一次,从而模糊图像时,便专注于M87 *。 围绕巨型M87 *的动作以庄重的步伐移动,在一整夜中几乎没有变化。 4月,该团队展示了M87 *的图像。 黑洞的轮廓(用一圈光圈勾勒出轮廓)装饰了全球的头版和新闻报道,并成为美国国家科学基金会网站历史上下载次数最多的图像。 对这项工作及其影响的描述填满了《 天体物理学期刊快报》上的六篇论文

对于黑洞理论家来说,第一张相当模糊的图像几乎没有引起人们的惊奇,但只是看到它是“对理论的光荣肯定”,布兰德福德说。 阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)对引力的描述(广义相对论)预测黑洞的阴影应该是完美的圆形-M87 *图像证实该预测在10%以内。 这可能会排除一些旨在替代相对论的最疯狂的引力理论,但EHT团队将需要在未来的观测中缩小误差线,以使爱因斯坦接受更严格的检验。

相对论最好的测试可能来自Sgr A *的图像,该团队希望在2020年完成。Sgr A *的质量,大小和距离的数据要比M87 *更精确。 “这将立即提高(相对论)约束的质量,”位于图森的亚利桑那大学的团队成员FeryalÖzel说。 但是,首先,团队需要加强对Sgr A *的看法。 她说:“我们正在努力完成分析工具的处理,以应对其古怪之处。”

EHT拥有11个设施,准备在2020年进行下一轮观测,包括格陵兰和亚利桑那州的新菜肴以及法国的升级阵列。 观测将很快转向甚至更短的波长-0.86毫米,而不是目前使用的1.3毫米。 该团队希望在未来更进一步,增加十几种专门制作的碟子,这些碟子散布在全球各地,有些散布在太空中,以进一步提高分辨率。 例如,到达月球三分之一位置的碟子将使另外20个超大质量黑洞进入成像范围。

这样的扩展也将使EHT能够从将静止的图像制作成吸取材料的黑洞的“电影”,然后将其集中到高功率喷气机中,这些喷气机从其极点发射数百万光年。 布兰福德说,如何制造这些喷气机“是天体物理学的一大难题”。 他补充说,今年的胜利是“这个研究项目的开始,而不是顶点。”

众心所向

我们的读者在2019年的最大突破中选择了他们的选择

对于在线科学读者来说,这是Denisovans的一年。 仅从俄罗斯西伯利亚的一个山洞中发现的化石碎片才知道古代人类。 但是今年,研究人员利用蛋白质中的证据将来自中国青藏高原的化石颚骨识别为Denisovan,表明它们广泛存在,并利用遗传证据重建了Denisovan女孩的脸。 这些成就是今年“年度突破人物”。

我们邀请访问者访问Science网站,对12位候选人进行投票。 第一轮投票将选择范围缩小至四个,第二轮投票(共34,000票)确定了人民的选择权。 Denisovan的研究无疑是赢家,其次是开发出两种有前途的药物来治疗埃博拉病毒,这是有史以来黑洞的第一个图像( 科学的选择),也是对大多数囊性纤维化患者新批准的治疗方法。 完整的结果:

  1. Denisovans成为关注焦点49%

  2. 埃博拉药物25%

  3. 黑洞图像15%

  4. 囊性纤维化药11%

查看摘要

科学保持联系

浏览本文