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A星和G2尘运团之间若是相遇,结果无法预测

发布日期:2019-10-13 09:29:18 编辑:it技术分享网 阅读次数:

  “近”观黑洞

  在大部分时间里,银河系中心的巨大黑洞都保持黑暗、平静,只是偶尔”闪耀“。

  但它在今后可能不那么老实了,这是因为一团庞大的气体和尘埃云持续向着银河系黑洞的腹心旋转而去。随着这团物质的突然流入,这个通常情况下一直很平静的黑洞——人马座A*(也称A星,其质量为太阳的400万倍)——将大发雷霆,非常猛烈地释放物质和辐射。

  这团俗称G2的尘云团,已经在2016年年底到达距离银河系黑洞最近处。

  不过,黑洞可能要花几十年时间来消化这个缥缈的猎物。A星并非经常“进食”,但当它“吃”东西时,它就像其他任何黑洞一样“眼大肚皮小”,吸入比自己能吞下的数量多得多的物质。被黑洞的巨大引力吸入的巨量气体和尘埃,造成超大规模的交通堵塞,阻止后面的大多数气体和尘埃进入黑洞内部。这些物质在黑洞的洞口持续堆积。随着压力猛增,原子和更小的微粒彼此碰撞,升温至几十亿摄氏度的超高温。由于进不了黑洞,这些超高能物质只能以接近光速的速度跳飞回太空,沿着黑洞的强大磁场形成延伸很远的明亮射流。不过,这只是科学家想象的黑洞运作原理。实际上,对于有关这些射流的诸多细节,科学家迄今并不清楚。

  A星和G2之间的相遇,究竟会造成什么后果?没有人能够预测。美国麻省理工学院海斯塔克天文台及哈佛-史密森尼天体物理学中心的天文学家谢普·杜勒曼说:“我们并不知道A星和G2相遇的后果,但我们的确知道届时在银河系中央会出现惊人的焰火。对观测者来说,这可能将是一次一生难逢的机会,因为A星是一个相对特别的黑洞,它足够大也足够近,从而能让地面望远镜辨析它。”因此,随着G2尘云团向着黑洞进行“跳水”,全球各地的天文学家都将把目光对准银河系的内核部位。

  尽管许多部装置都能测量黑洞“进食”狂潮的不同方面,却只有一部望远镜有机会获得这次爆发性事件的实际图像,以及实时观测这一事件。杜勒曼领导的团队正在组装这部名叫“视界望远镜”的装置,它将有可能地第一次向我们展示:当无比庞大的一团物质坠入一个无比庞大的黑洞时,究竟会发生什么。杜勒曼说:“这团云是否会直接坠入黑洞?或者,是否会有一部分云包裹在黑洞近侧,并最终逃离?没有人能给出准确答案。”原因很简单——直到现在,我们都不可能观测这样的事件。

  “视界望远镜”之所以得名,是由于它能让我们在目前的技术条件下最近距离地观测黑洞,几乎能把我们带到环绕黑洞的不可见的边缘上。这个不可见的边缘是一个球状壳层,被称为黑洞的“视界”。黑洞指的是向着自身非常猛烈地坍塌、以至于其中心几乎无限致密的天体。黑洞的引力是如此之强大,乃至一旦物质或光线足够靠近并跨越视界,它们基本上就一去无回。

  与拥有单一镜面或天线的传统望远镜不同,“视界望远镜”是由分散在全球各地的多部望远镜组成的一个射电望远镜网络构成的。位于美国亚利桑那、加利福尼亚和夏威夷的望远镜已经连入这个网络,杜勒曼还希望位于全球各地的其他至少6部望远镜也能连入“视界望远镜”网络。在他看来,通过连接彼此远远分隔开的天线,定格它们捕捉到的光线并创制一张复合图像,其结果就相当于“一面像地球一样大的镜子”。

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  这种对来自异地望远镜的输入数据进行混编、被称为“干涉度量法”的方法,有可能大大提高角分辨率,这样就能辨识一个天体的不同特征,哪怕这些特征在空间排列上彼此十分靠近。望远镜的口径(相当于“眼睛”)越大,能分辨的特征就越小。跨越整个地球的“视界望远镜”网络,则把这种理念发挥到了:它的依然有提升空间的视野,辨识度已超过“哈勃空间望远镜”2000倍。

  “视界望远镜”所面临的主要的技术挑战,是让这个网络中的所有望远镜能够整齐划一地流畅运作。向来喜欢接受技术挑战的杜勒曼,对这项任务来说非常适合。他是一个乐此不疲的“修理工”,经常维修自己在美国波士顿北郊家中的电线网络。

  今年48岁的杜勒曼看起来依然年轻。1986年从美国瑞德学院毕业后不久,他到美国南极科考站担任研究员和仪器维修工程师,由此展开天体物理学生涯。在南极洲的夜空,星星就像是在燃烧,这让杜勒曼印象颇深。他说:“在困难条件下做趣味十足的科学研究,给了我非常深刻的印象。”最终,他决定在美国麻省理工学院的研究生院攻读天文学。到了那里,他立即开始在海斯塔克天文台展开研究,主攻“视界望远镜”背后的“魔幻技术”——使用多座天文台产生清晰度高得多的观测图像。在1995年获得博士学位后,他继续从事这方面的工作。1998年,他又回到海斯塔克天文台工作。

  几年后,杜勒曼开始思考:他正在试验的干涉度量技术,最终是否能揭示银河系核心正在发生的事——一路直到巨型黑洞的边缘?几年前,他和同事们决定在这方面进行尝试。他们依赖亚利桑那和夏威夷的各一部望远镜(它们最终成为“视界望远镜”网络的一部分),试图以比之前都高的角分辨率观测A星,但未能在黑洞的近旁探测到他们预计会探测到的信号。

  经过几个月的调查后,他们发现了问题的根源——夏威夷的一部无线电接收器存在一个缺陷。杜勒曼感慨地说:“大量科学研究要求我们趴下了站起来,抖落尘土继续干。”2017年,他们正是这么干的。运用亚利桑那和夏威夷的上次一样的望远镜,再加上位于加州的一部望远镜,他们继续探测位于黑洞近旁的信号。

  在重新审视得到的探测数据后,杜勒曼开始有了一种“激动的感觉”。他意识到,来自于A星的射电辐射(由环绕黑洞旋转的白热物质发出,这些物质就像是围绕浴缸排水口打转的水)源自比预想小得多的一个区域。从某种程度来说,这真是极度幸运,因为大多数天文学家一直假定:黑洞太大,所以无法对黑洞进行有效的观测。杜勒曼形容说,这就好比让你在很靠近一堵墙的地方直视墙,并且描述墙——这根本无法完成,因为无法看到墙的全貌。

  杜勒曼及其同事不仅看见了这堵“墙”,而且进行了天文学上有史以来分辨率的观测。这堪比在月球表面发现了一只棒球。这是对“视界望远镜”理念进行成功测试。杜勒曼对此评价说:“我们知道自己终于进入了一片时-空区域。”那就是刚好位于黑洞视界以外的一个区域,是天文学家们此前一直无法探测到的一个区域。

  然而,“视界望远镜”的真正目标尚未实现。迄今为止,杜勒曼及其团队只是得以证明黑洞附近的射电辐射源自他们能确定其大小的一个特定区域,但他们无法描述那里所发生的过程的细节。下一阶段的工作是获取黑洞及其周围环境的真实快照,而这需要一个更大的“视界望远镜”网络才能完成,并且这个网络有更宽的全球性覆盖。杜勒曼说,获得这样的图像“将赋予我们梳理细节的更强大能力,让我们以不带偏见的方式看见黑洞附近究竟在发生什么”。

  除了目击G2云团坠入A星时的星系光彩秀之外,“视界望远镜”还将解决关于宇宙的一些更基本问题。说得具体点,天文学家们还希望能捕捉到黑洞的轮廓——由环绕黑洞自身黑暗、神秘内部的炙热发光气体构成的一道亮环。

  这道被称作最终光子轨道的发光环,代表着光线能环绕黑洞而不至于坠入黑洞的超级深渊、从而永无回头日的最靠近黑洞处。这里刚好在视界外。这道环的形状为测试广义相对论提供了一个场所。广义相对论就是爱因斯坦的引力理论,它预测了一个几乎是圆形的阴影。加拿大滑铁卢大学及美国圆周理论物理研究所的天体物理理论学家艾弗里·布罗德里克说:“如果我们观测到明显偏离正圆的、奇怪的黑洞剪影,我们就能估计出需要何种对广义相对论的偏离才能产生它。”他补充说,为了能够看见这个剪影,就必须有像“视界望远镜”这般强大的仪器。

  爱因斯坦在1915年发表了他的广义相对论。

  从那以后,这种理论经受住了各种实验对它的考验。因此,如果能找到任何对广义相对论的偏离,都将是巨大的成就。杜勒曼指出,产生一幅图像,让已有百年历史的广义相对论受到审判,这一点并不需要任何观念性的突破,而“只需在全球各地布设更多的望远镜”,即安装更多的“光拍斗形接收器”,让它们采集更多光子,由此收集更多信息,与此同时提高角分辨率。目前,杜勒曼的团队正在这方面继续努力。

  该团队的近期目标是扩大“视界望远镜”网络,把它从目前的3个地点增加到9或10个,其中包括位于南极洲、格陵兰和墨西哥的望远镜,以及美国海斯塔克天文台新近升级的一部望远镜。迄今为止,对“视界望远镜”网络的贡献将来自于位于智利的“阿塔卡马大型毫米阵列”,它是同类中的射电望远镜。

  杜勒曼及其“视界望远镜”同仁正在潜心研发一种办法,以此从“阿塔卡马大型毫米阵列”的50多座射电抛物面天线提取无线电信号,同时却不干扰这个天线阵列的主要任务:探索宇宙起源。

  前往高出海平面近5000米、价值10亿美元的“阿塔卡马大型毫米阵列”,并且让它与“视界望远镜”网络的其余部分啮合,正是杜勒曼喜欢接受的技术挑战之一。每个组件都必须一而再、再而三地检查,以确保整个系统能整齐划一地执行精度的干涉度量法。杜勒曼说:“对我来说,研发一部以如此方式运作的新型望远镜,真的是一件很兴奋的事。”

  当然,这项计划所涉及的并不仅仅是“技术魔法”方面的巨大成就。杜勒曼说,最终,该计划要窥探一些宇宙中最奇异之地——天文学家们此前想都不敢想的地方。这就相当于以目前的技术尽量去接近一个黑洞,然后再从黑洞边缘撤回来,并且与全世界分享非凡的见闻。

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  在“视界望远镜”的视野内

  要想理解“视界望远镜”与一般望远镜有什么不同,一种方法就是去造访杜勒曼的主要工作地之一:位于美国波士顿西北大约50千米的海斯塔克天文台。该天文台的一部新近整修的37米直径射电望远镜,很可能将加入“视界望远镜”的全球网络。此外,这座天文台还是一件更重要设备——“视界望远镜”的“镜头”所在地。

  虽然常规望远镜通常有一面形状像抛物面的镜子或镜头,把它收集的光线聚焦成一个点,但位于海斯塔克天文台的这个“镜头”却是近两米高的计算机阵列。这个装置,或称相关器,是一种擅长只做一件事的特殊类型的超级计算机。科学家们收集全球各地不同站点记录的光线,对它们进行比较与合并,采用电子器件对其进行复制。这种方式与镜子利用几何原理工作没有本质区别。

  每个“视界望远镜”站点也都拥有一台特殊类型的原子钟,名叫氢微波辐射器。正如一只瑞士手表内部的石英晶体通过以一种稳定频率(每秒大约3.2万次)来计时一样,微波辐射器让一些特别选定的氢原子以每秒14.2亿次的固定频率发射无线电波。微波辐射器的超高频率给予它超高的准确度。

  这种的计时,使得在海斯塔克天文台工作的科学家们能关联在地球表面不同地点进行的观测,同时把地球的曲率和每一部望远镜的位置考虑在内,到1厘米。杜勒曼介绍说,这部原子钟每1亿年才误差1秒,他和他的团队需要的正是如此水准的稳定度。

  欣赏宇宙罕见景观

  杜勒曼及其“视界望远镜”团队的科学家们,实际上受益于一种非凡的巧合。纯属巧合的是,“视界望远镜”的有效孔径意味着:他们能够辨析的最小空间区域,几乎正好匹配目前认为的银河系黑洞的视界大小。

  在这种情况下,一切都正好正确排列:“视界望远镜”几乎完美适应自己的任务。杜勒曼说,这与日食的发生没什么两样——月球的大小必须合适,这样一来,在它与地球的距离合适的前提下,它就能完全遮住太阳。没有人策划这一切“巧合”,它们的发生纯属自然,却惊人地发生了。

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  “视界望远镜”团队撞大运已不是头一次。地球附近的巨大星系M87中央也有一个巨大的黑洞,其质量超过太阳的60亿倍,它为天文学家提供了一种类似的“日食效应”。这个黑洞的大小是银河系黑洞的大约2000倍,而它与地球的距离也正好大约是银河系黑洞与地球之间距离的2000倍,因此两者的角距大小是一样的,这让M87的黑洞成为“视界望远镜”的另一个理想的观测目标。

  这两个拥有从地球上看去视界的黑洞,竟然还互为补充:A星代表着安静、不活跃的黑洞,M87黑洞却是高能黑洞的典型——后者产生由气体和微粒组成的拖长的射流。这些射流激起杜勒曼及其同事们特殊的兴趣。于是,他们在近几年两次使用“视界望远镜”窥视M87星系。这些观测证明,M87星系的射电辐射来自并不比其黑洞视界大的区域。通过确定最强烈辐射材料的来源,杜勒曼及其同事相信自己已经辨认出M87强大射流的底座——它看来刚好在黑洞外面。杜勒曼说:“如此一来,我们就相信自己正在接近黑洞边缘。”这些有关射流发源地的新见解,应该有助于理论学家破解另一个长久未决的奥秘:这样的射流是怎么形成的。

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