您当前的位置: 首页 >  博客资讯

银心黑洞第一次拍摄到!中国天眼世界最大,为何没用于观测黑洞?

银河系中心超大质量黑洞的第一张照片正式公布,这是人类第一次看到我们自己星系中心的超大质量黑洞。此次拍摄银心黑洞的望远镜仍然是事件视界望远镜(EHT),它曾在3年前拍摄到了人类史上的第一张黑洞照片。

与当年的第一张黑洞照片类似,银心黑洞照片看起来也像是一个“甜甜圈”。红橙色的圆圈即为黑洞周围的吸积盘,其中的阴影就是黑洞真身所在。由于黑洞会束缚住光,所以黑洞本身是看不到任何细节的。

如何拍摄黑洞?

这样的黑洞照片可能会令一些人失望,与《星际穿越》中的超大质量黑洞看起来相差很多。但事实上,能够捕捉到银心超大质量黑洞的照片就已经是重大突破,为了实现这一步,天文学家已经付出了巨大的努力。

银心超大质量黑洞名为人马座A*,此前,天文学家已经通过附近绕行恒星的方法,间接探测到了这个黑洞的存在。根据观测数据,可以推测出人马座A*的质量约为太阳的400万倍,距离我们2.6万光年。

根据爱因斯坦的广义相对论,人马座A*的半径(史瓦西半径2GM/c^2)估计为1200万光年。由于黑洞会把光弯曲吞噬掉,我们不可能直接看到黑洞的边缘(事件视界)。

但由于黑洞凭借极端的引力,可以把附近的物质拽过来,并吞噬掉。这些物质螺旋掉入黑洞的过程中,剧烈的摩擦效应可以释放出超高的能量,其质能转换效率高达42%(恒星的核聚变只有0.7%),所以活跃的黑洞周围会产生一个非常明亮的吸积盘。

通过捕捉发光的吸积盘,就能衬托出中间的黑暗区域,那就是黑洞所在。从地球上看来,人马座A*的吸积盘的直径估计为52微角秒,也就是0.000052角秒,而一角秒只有1/3600度。因此,这是一个极其微小的物体,为了看到它,需要大到超乎想象的天文望远镜。

天文望远镜的分辨率取决于口径,口径越大,分辨率越高。但光学望远镜受限于物理结构,目前在建的最大口径也只有40米左右。为了观测到人马座A*,需要口径巨大的射电望远镜。

这不但是因为射电望远镜的口径可以做到非常大,单口径可达几百米,而且波长较长的无线电波,更容易穿透银河系中的浓厚星际尘埃。由于星际尘埃的阻挡,我们无法在可见光看到极为明亮的银心,不然夜空看起来将会比现在亮很多。

虽然射电望远镜的口径很大,但由于观测波长相比长了很多,这其实会让分辨率下降。为了提升射电望远镜的观测能力,需要利用干涉技术,让相隔遥远的射电望远镜组成观测阵列,这样可以得到一个尺寸巨大的虚拟射电望远镜。

事件视界望远镜利用位于全球的8台射电望远镜,包括位于南极点的南极望远镜,位于北极的格陵兰望远镜,位于南美洲的阿卡塔玛大型毫米/亚毫米阵列。通过甚长基线干涉仪(VLBI)技术,可以得到一台口径达到1.2万公里(相当于地球直径)的虚拟望远镜,这就是事件视界望远镜。

即便是强大如事件视界望远镜,也只能捕捉到银心超大质量黑洞的基本面貌,更多的细节仍然不可见,与我们通常看到的模拟黑洞照片还差得很多。但就目前人类的技术,能够直接捕捉到黑洞已经相当不容易了。要知道,广义相对论预言黑洞存在100多年之后,天文学家才第一次直接捕捉到黑洞照片。

为什么不用中国天眼(FAST)观测黑洞?

我们知道,中国天眼(FAST)是目前全世界单口径最大的射电望远镜,直径可达500米,拥有无与伦比的灵敏度。尽管中国天眼非常强大,但为什么没被用来观测黑洞呢?

中国天眼确实也是射电望远镜,观测的也是无线电波,但波长范围较长,在1分米至4米之间。而用于观测黑洞的射电望远镜需要更短的波长,最短只有1.3毫米,波长越短才能有足够高的分辨率。中国天眼不是被设计用于黑洞,它有自己的观测目标,包括脉冲星、快速射电暴、外星文明信号。

另一方面,为了得到一台口径巨大的事件视界望远镜,几台望远镜需要同时对银心黑洞进行观测,中国天眼处在东半球,而且方向是固定的,无法转向,与另外几台射电望远镜无法协调观测,白天黑夜互相颠倒。

虽然中国天眼没有参与黑洞观测,但我国的天文学家参与了黑洞的观测和处理,所以无论是银心超大质量黑洞照片,还是更早之前的M87星系超大质量黑洞照片,都有我国天文学家的一份贡献。未来,我国计划建造亚毫米波射电望远镜,有望参与银心黑洞的联合观测。

银心超大质量黑洞会吞噬银河系吗?

银心超大质量黑洞质量巨大,相当于太阳的400万倍,它的极端引力不断把周围的物质拽向深渊。根据广义相对论,黑洞的质量越大,直径也会越大。这意味着随着黑洞不断吞噬物质,它也会变得越来越大。那么,未来有一天,人马座A*会不会吞噬掉整个银河系呢?

虽然人马座A*很大,但它的影响范围非常有限。因为整个银河系非常大,银河系总质量为太阳的1万亿倍,这相当于人马座A*的25万倍。人马座A*对地球施加的引力远远小于太阳对地球施加的引力,所以地球才会绕着太阳转动,而不会被人马座A*吸引过去。

虽然太阳以及另外上千亿颗恒星都在绕着银心转动,但这并不是因为人马座A*的引力作用,而是整个银河系共同引力作用的结果。银河系的共同质心所在之处被定义为银心,而人马座A*恰巧处在银心。

当然,人马座A*处在银心中并非偶然,因为几乎所有的星系中心都有一个超大质量黑洞,必然有某种机制让星系中心出现一个巨大的黑洞,只是目前还不清楚究竟是什么原因。

未来,人马座A*不会吞噬掉整个银河系,它只会吞噬掉附近有限范围内的物质。待到那些物质消耗殆尽,人马座A*也会随之趋于平静。如果没有继续吞噬物质,人马座A*将会自发变小,因为黑洞存在霍金辐射,本身会不断损失质量,经过漫长时间之后,黑洞将会从宇宙中蒸发殆尽。