2012逃去黑洞！ 美國(guó)科學(xué)家開始探尋黑洞秘密

北京時(shí)間1月23日消息，據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)站報(bào)道，1月18日，物理學(xué)家和其它相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家們將聚集美國(guó)亞利桑那州圖森參加一個(gè)會(huì)議，在這次會(huì)議上，他們將探討一項(xiàng)就在幾年之前還被認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的想法。本次會(huì)議的召集人是迪米特里·薩爾提斯(Dimitrios Psaltis)，他是亞利桑那大學(xué)斯圖爾特天文臺(tái)的天體物理學(xué)助理教授，以及丹尼爾·馬龍(Daniel Marrone)，他是斯圖爾特天文臺(tái)的天文學(xué)助理教授。

那么這些科學(xué)家們究竟要探討什么事情呢？薩爾提斯說(shuō)：“沒(méi)有人曾拍攝過(guò)黑洞的照片，而我們這次想要做的正是這件事?！?/p>

謝潑德·多勒曼(Sheperd Doeleman)是麻省理工學(xué)院赫斯塔克天文臺(tái)主任助理，他說(shuō)：“哪怕在5年之前，這樣一個(gè)想法也會(huì)被認(rèn)為是不可想象的?！?多勒曼還擔(dān)任著“視界望遠(yuǎn)鏡”(Event Horizon Telescope)項(xiàng)目的首席科學(xué)家。顧名思義，這一項(xiàng)目的目標(biāo)就是拍攝到黑洞的照片。多勒曼說(shuō)：“現(xiàn)在我們已經(jīng)有了可以做出嘗試的相關(guān)技術(shù)?！?/p>

黑洞的概念最早是由愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論導(dǎo)出的，在隨后的數(shù)十年間又經(jīng)過(guò)了大量的觀測(cè)，測(cè)量和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但是人們從來(lái)未能實(shí)現(xiàn)對(duì)黑洞的直接觀測(cè)，或者拍攝到黑洞的照片。我們所知的僅僅是這種神秘天體對(duì)于周遭的時(shí)空施加的巨大引力作用。

多勒曼說(shuō)：“黑洞是你能在宇宙中找到的最極端的環(huán)境?！焙诙磽碛须y以想象的超強(qiáng)引力場(chǎng)，它能夠吞噬一切進(jìn)入其控制范圍內(nèi)的物體，甚至連光也無(wú)法逃脫魔掌。因此從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，黑洞是不可能發(fā)出任何光線的，它只是隱藏在宇宙一隅的深邃黑暗。

那么既然如此，我們又怎么可能去拍攝這樣一種根本就“看不見(jiàn)”的物體呢？對(duì)此，多勒曼進(jìn)行了解釋，他說(shuō)：“當(dāng)大量的塵埃和氣體物質(zhì)旋轉(zhuǎn)著向黑洞下落，在黑洞附近會(huì)由于物質(zhì)太擁擠而發(fā)生某種‘交通堵塞’。這有點(diǎn)像是浴缸中排水時(shí)形成漩渦的景象。在此過(guò)程中物質(zhì)之間的劇烈摩擦導(dǎo)致急劇的升溫過(guò)程。氣體和塵埃物質(zhì)形成等離子體，溫度高達(dá)十億攝氏度或更高，這樣它們就會(huì)‘發(fā)光’，并釋放出可以在地球上探測(cè)到的能量?！?/p>

一旦我們成功拍攝到旋轉(zhuǎn)下降的物質(zhì)流，我們就將能夠勾勒出黑洞的外部輪廓，盡管這并非黑洞本體，我們暫且可以稱之為黑洞的“影子”。一旦越過(guò)這條輪廓線，進(jìn)入更加靠近黑洞的位置，一切都將無(wú)可挽回，這條“死亡界限”被稱為“視界”。任何越過(guò)視界的物質(zhì)都將無(wú)法逃離，甚至光線也是一樣。

薩爾提斯說(shuō)：“到目前為止，我們擁有一些見(jiàn)解的證據(jù)證明在我們銀河系的中心位置存在一個(gè)黑洞。而如果我們真的拍攝到了它的‘影子’，那么一切都將確鑿無(wú)疑?！?/p>

盡管計(jì)算顯示隱藏在銀河系核心位置的黑洞質(zhì)量高達(dá)太陽(yáng)質(zhì)量的40億倍，但是在天文學(xué)家們的眼中，這真的不算什么。這樣一個(gè)黑洞產(chǎn)生的視界范圍大致和水星軌道相當(dāng)，但是它遠(yuǎn)在2.6萬(wàn)光年之外。因此對(duì)于地球上的人們來(lái)說(shuō)，它看起來(lái)就像是放在月球表面的一個(gè)西柚那么大。馬龍說(shuō)：“要想看到這么遠(yuǎn)的地方那么小的一個(gè)物體，你需要有非常大的望遠(yuǎn)鏡。而在地球上，你能制造的最大型的望遠(yuǎn)鏡就是將整個(gè)地球半球作為望遠(yuǎn)鏡的直徑。”

為了實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，天文學(xué)家們正在計(jì)劃將散布在全球各處的射電望遠(yuǎn)鏡連接起來(lái)，其中包括亞利桑那州格雷漢姆山上的亞毫米望遠(yuǎn)鏡(SMT)，夏威夷莫納克亞山頂?shù)耐h(yuǎn)鏡以及位于加州的毫米波天文學(xué)研究望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合陣列(CARMA)等等。另外這一網(wǎng)絡(luò)還將包括一些位于歐洲的射電望遠(yuǎn)鏡，一臺(tái)位于南極洲的10米口徑望遠(yuǎn)鏡以及一臺(tái)位于墨西哥一座4500米海拔山頂上口徑15米的射電望遠(yuǎn)鏡。

多勒曼說(shuō)：“簡(jiǎn)單而言，我們正在構(gòu)建一臺(tái)虛擬望遠(yuǎn)鏡，其口徑相當(dāng)于地球直徑。我們使用的每一臺(tái)獨(dú)立的大型射電望遠(yuǎn)鏡都可以被視作是這一巨型望遠(yuǎn)鏡的一部分，有了這樣一臺(tái)巨型望遠(yuǎn)鏡，我們就將能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)銀河中心黑洞的成像?！?/p>

他說(shuō)：“視界望遠(yuǎn)鏡并非一蹴而就，就像我們按下一個(gè)按鈕然后就獲得所有數(shù)據(jù)那樣。事實(shí)并非如此，而是這樣：我們會(huì)逐年增強(qiáng)它的能力，讓更多的望遠(yuǎn)鏡加入進(jìn)來(lái)，這樣就能逐漸讓我們獲得的影像變得更加清晰，有點(diǎn)像是從較低像素的圖片變?yōu)檩^高像素圖片的轉(zhuǎn)變過(guò)程。”

其中，對(duì)于構(gòu)建這樣一臺(tái)巨型“視界望遠(yuǎn)鏡”網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要的一環(huán)是位于智利的的ALMA，即“阿塔卡瑪大型毫米波陣列”。這一強(qiáng)大的觀測(cè)陣列包含50臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，聯(lián)合運(yùn)行時(shí)相當(dāng)于一臺(tái)口徑90米的射電望遠(yuǎn)鏡。多勒曼稱之為“真正改變游戲規(guī)則的設(shè)備”。如果能爭(zhēng)取讓ALMA設(shè)備參加這一網(wǎng)絡(luò)，將能讓視界望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)分辨率翻倍。

在一份項(xiàng)目簡(jiǎn)報(bào)中，一位參加該項(xiàng)目的科學(xué)家寫道：“視界望遠(yuǎn)鏡將讓我們前所未有的接近一個(gè)黑洞的邊緣?！彼_爾提斯說(shuō)：“我們將有能力實(shí)際看到在非常接近黑洞視界邊緣的地方究竟是何種情形，這里擁有宇宙中最強(qiáng)大的引力場(chǎng)。之前從未有人在這樣強(qiáng)大的引力場(chǎng)中檢驗(yàn)過(guò)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論?！?/p>

廣義相對(duì)論預(yù)言，限定黑洞邊界的這條明亮視界一定是一個(gè)完美的圓形。而根據(jù)薩爾提斯的說(shuō)法，這樣一次觀測(cè)將能夠提供重要的驗(yàn)證。薩爾提斯率領(lǐng)的小組的主攻方向便是廣義相對(duì)論。

他說(shuō)：“如果我們發(fā)現(xiàn)視界的形狀是橢圓形而非正圓形，那么就將意味著愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論存在缺陷。但即便我們最終發(fā)現(xiàn)一切都符合廣義相對(duì)論的預(yù)言結(jié)果，那么這一過(guò)程本身也將幫助我們加深對(duì)于這一理論本質(zhì)的理解。”

黑洞到目前為止仍舊是宇宙中被了解最少的現(xiàn)象之一。其質(zhì)量數(shù)值從太陽(yáng)的數(shù)倍到數(shù)十億倍，在茫茫宇宙之中它們就像是水中的油滴那樣游蕩?，F(xiàn)在我們認(rèn)為大部分(如果不是全部的話)的星系核心都擁有超大質(zhì)量的黑洞存在，而質(zhì)量較小的黑洞則遍布宇宙空間各處。光在我們的銀河系中，科學(xué)家們就估計(jì)存在大約25個(gè)大小不一的黑洞，質(zhì)量從太陽(yáng)質(zhì)量的5倍到10倍不等。

馬龍說(shuō)：“而位于銀河系核心的那個(gè)黑洞有幾點(diǎn)好處，首先它足夠大，另外離開我們的距離也不算太遠(yuǎn)。在其它星系中存在著更加巨型的黑洞，但是那些太遙遠(yuǎn)了。也存在一些更近的黑洞，但是質(zhì)量要小得多。而銀河系核心的黑洞則是觀測(cè)目標(biāo)的不二之選?！?/p>

那么為什么天文學(xué)家們會(huì)選擇在射電波段進(jìn)行這樣的觀測(cè)，而不是在可見(jiàn)光或者紅外光波段呢？這主要有兩方面的原因：一是要想從地球上觀測(cè)銀河系的核心部位，需要穿透銀河系密布恒星的盤面，而無(wú)線電波可以穿透數(shù)千光年遍布恒星，塵埃和氣體云的空間；而第二點(diǎn)則是，研究顯示要將全世界的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡組合成一臺(tái)類似口徑的巨型望遠(yuǎn)鏡在技術(shù)上是不可能的。

即便是在射電波段上，將多臺(tái)相距上千公里的大型射電望遠(yuǎn)鏡獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，防止其與大氣層中的水汽發(fā)生相互干涉，并同時(shí)保證精確的計(jì)時(shí)協(xié)調(diào)以便實(shí)現(xiàn)聯(lián)合成像也是最近幾年才開發(fā)出來(lái)的技術(shù)。

在觀測(cè)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中每一臺(tái)成員望遠(yuǎn)鏡都將進(jìn)行獨(dú)立觀測(cè)并將數(shù)據(jù)存放在硬盤中，這些數(shù)據(jù)隨后將被人工運(yùn)送到設(shè)在美國(guó)麻省理工學(xué)院的中央數(shù)據(jù)處理中心。要協(xié)調(diào)全世界各地的協(xié)同觀測(cè)需要一個(gè)相互密切配合的國(guó)際團(tuán)隊(duì)。

正因?yàn)槿绱耍_爾提斯說(shuō)：“這次會(huì)議并非像一次普普通通的會(huì)議那樣，人們因?yàn)橄Ｍ屯袀兎窒硭麄兊难芯砍晒皝?lái)與會(huì)。對(duì)于視界望遠(yuǎn)鏡而言，我們需要全世界的科學(xué)家聯(lián)合起來(lái)一起制造這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)樗瓦@顆星球一樣大。人們從全球各地趕來(lái)參會(huì)，因?yàn)樗麄儽仨殔⑴c進(jìn)來(lái)，共同努力?！?/p>