■本报记者 黄海华
昨天晚上,首张黑洞照片问世。比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿六地共同发布这一重大成果。
黑洞会消亡吗?黑洞附近的时间会变慢吗?中科院国家天文台苟利军研究员接受了记者的专访。
为何一个世纪没拍到黑洞
“大家不要忘了,我们的肉眼是看不见太赫兹波段的,因此黑洞的照片可能是灰度图像,也可能是假色图片。”苟利军介绍,黑洞“照片”与传统意义的照片还是很不一样的,普通照片拍摄的是可见光波段,而此次事件视界望远镜拍摄的是太赫兹波段,也就是亚毫米波段。
为何长达一个世纪都没能拍到黑洞照片?“这是因为需要比哈勃太空望远镜还高出2000倍分辨率的望远镜,而之前的望远镜没能做到。这次位于南极、智利、墨西哥、美国夏威夷、美国亚利桑那州、西班牙的8台亚毫米射电望远镜同时对黑洞展开观测,利用甚长基线干涉测量技术(VLBI),相当于构建成一个口径等同于地球直径(1万多公里)的望远镜。
从4月5日至14日,事件视界望远镜对银河系中心和星系M87(距离地球5500万光年)中央的超大质量黑洞进行拍摄。这两个黑洞的视大小是目前发现的黑洞中最大的两个,在分辨率有限的情况下,越大越容易看到细节。“由于地球每天都围着太阳转,因此拍摄位置特别讲究,只有运行到某些地方,才能保证8个望远镜同时能看到黑洞,因此最佳时机在只有这10天。”
中国有两个亚毫米射电望远镜,一个在青海德令哈,另一个在西藏羊八井,但由于我国地处美洲的背面,难以和其他望远镜同时观测,因此中国大陆的望远镜并没有参与直接观测。
至今还没观察到死亡的黑洞
还记得电影《星际穿越》中黑洞的样子吗?像一顶草帽,水平方向有个吸积盘,黑洞上下也有两个圆环。“就像海市蜃楼,这只是看上去的视觉效果,实际并非如此,这是黑洞的引力透镜效应,或者说是时空弯曲效应。”苟利军说。
当我们靠近黑洞时,相比于那些远离黑洞的人,我们的时间流逝得更慢。这也可以算是时空弯曲效应,不过只是一种相对效应。靠近黑洞时,每一个衡量“一秒钟”的尺度被拉长了,也就是说,在这个坐标系下,时间是被拉长的。
黑洞会消亡吗?苟利军说,在传统的广义相对论中,黑洞产生后不会再发生变化,可以永远存在下去。但如果把量子力学的不确定性,引入事件视界中,一些质量较小的黑洞会产生霍金辐射,因而也会死亡,并在消亡时产生大量伽马射线。但霍金辐射对于超大质量黑洞影响很小,这类黑洞并不会消亡。据介绍,科学家至今还没观察到死亡的黑洞。
银河系恒星级黑洞超1亿个
黑洞的近代概念,来源于爱因斯坦19提出的广义相对论。通过爱因斯坦场方程,可以直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞。“黑洞相当于爱因斯坦场方程的一个极端的解,不过就连爱因斯坦也不敢相信黑洞真实存在。”
爱因斯坦场方程在最初发布时只有近似解,当时的德国物理学家卡尔·史瓦西在一战前线,得到了非旋转黑洞的精确理论解,这是第一个有关爱因斯坦场方程的精确解。与此同时,史瓦西还给出了黑洞的半径大小,在这个半径范围以内,任何物质和辐射都不会溢出,后人将此距离称为史瓦西半径,并把史瓦西半径处的想象中的球面叫作事件视界。“在史瓦西看来,一个人如果掉进事件视界,是无法发射无线电光信号的,因为光也无法逃逸出去。”
上世纪三十年代,美国的“原子弹之父”奥本海默研究发现:恒星在一定环境之下可以坍缩形成黑洞,并从理论上证实了黑洞的质量下限。
1963年,旋转黑洞精确解这一难题被爱尔兰的数学家罗伊·科尔所攻破。
1964年,美国科学家利用探空火箭在天鹅座区域偶然发现了一个非常明亮的X射线天体,天文学家将此天体命名为天鹅座X-1,这是人类历史上第一个黑洞候选体。
核物理学家约翰·惠勒于1967年提出“黑洞”这个名称,有趣的是,“虫洞”这个名称也是由他提出的。
霍金在上世纪七十年代首先提出黑洞的热力学定律,之后又发现“霍金辐射”,他认为光线会从黑洞中逃脱,黑洞的质量因此也会逐渐变小,从而消失。
2月11日,激光干涉引力波天文台宣布,他们通过引力波信号,探测到了两个黑洞合并。这为黑洞的存在提供了第一个具体证据。
宇宙中到底存在着多少黑洞?在引力波被直接探测到后,科学家们估算,质量小于100个太阳质量的恒星级黑洞在我们银河系当中就应该多于1亿个。而我们整个宇宙还有至少上千亿个类似我们银河系的星系。与此同时,几乎在每一个星系中心还存在着一个超大质量的黑洞呢。