对黑洞成像的探索可以告诉我们关于我们的宇宙的什么

在揭开银河系中心黑洞的第一张图像数小时后,哈佛和史密森尼领导的团队的科学家们在一个在线小组中讨论了它的重要性。 图片来源:Kris Snibbe/哈佛员工摄影师

不久前,拍摄黑洞的想法就像拍摄独角兽一样不切实际。 现在,科学家们拥有的不是一张而是两张不同的超大质量黑洞的图像——它们看起来都像燃烧的甜甜圈一样神奇。

“我记得当黑洞纯粹是理论上的时候,”史密森尼科学与研究部副部长、美国宇航局前首席科学家艾伦·斯托凡在周四的揭示后小组讨论中说。 对话由斯托凡主持,哈佛大学领导的科学家团队的四名成员聚集在一起,他们在 2019 年向世界展示了第一张黑洞的图像——一个以其银河系 Messier 87 命名的庞然大物 M87。小组讨论前几个小时,团队分享了第二张图片—— close人马座 A 星(或人马座 A*)的特写,这是一个以我们银河系中心的光和宇宙碎片为食的黑洞。

“毫无疑问,我们第一次看到了黑洞,”由天体物理中心领导的一个由 100 多名科学家组成的国际团队 Event Horizo​​n Telescope 合作的创始主任 Shep Doeleman 说。 哈佛和史密森尼。 “这是天文学新时代的曙光。”

在这个新时代,科学家们可以证明或反驳爱因斯坦长期以来的引力和相对论,找到地球 2.0,或者发现通往另一个宇宙的虫洞。 (后者对 Doeleman 来说不会那么难,他厚颜无耻地说他来自另一个宇宙。)

拍摄黑洞比听起来更难。 天体物理中心的工程师兼首席技术官卡里·霍沃斯 (Kari Haworth) 说,要捕捉如此遥远的物体的图像,“你需要一个地球大小的望远镜”。 “我们没有这样做,因为那是不可能的,而且会破坏很多人的观点,”她说。

相反,研究人员通过协调位于夏威夷、智利、墨西哥、西班牙、法国和其他地方的各个机器,将地球变成了一个巨大的望远镜。 每个团队都必须在完全相同的时间拍摄一张照片。 因为黑洞吞噬了所有的东西 close——即使是光——它们也看不见。 但是它们巨大的引力会吸引并压缩附近的光和碎片,形成一个充满能量的旋转气态涡流。 “将落下的物质转化为光度”是多尔曼所说的。

可以看到和拍摄这种光度。 一些被拉入黑洞引力场的光在逃逸并朝地球方向发射之前会发生掉头或回环,并带有其来自何处的图像。 EHT 团队的最终照片是由每台望远镜拍摄的照片组合而成,并将一张照片叠放在一起。 为了结合所有这些数据——这些数据很轻,在非常精确的时刻捕获——团队需要实现一个更奇怪的壮举。 每个望远镜团队都冻结了他们的光,将其存储在硬盘上(它太大而无法通过互联网发送),然后乘飞机将其飞到一个中心位置。

M87 是第一个获得恒星处理的黑洞,比人马座 A 星大约 1,000 倍,并且更加稳定,但图像几乎相同,这是 EHT 和阿尔伯特爱因斯坦的妙招。 爱因斯坦的理论认为,黑洞只有三个特征——质量、自旋和电荷——并且没有“头发”(天体物理学家喜欢称其为附加属性)。 唯一的区别是射手座 A 星的图像略有模糊。 天体物理学家保罗·铁德说,我们银河系的黑洞更加烦躁,像蹒跚学步的孩子一样烦躁,而且更难捕捉到不断变化的事物的清晰画面。 另外,我们和射手座 A 星之间有一些宇宙汤,它稍微模糊了图像。 “即使考虑到这一点,”铁德说,“我仍然对这些图像的相似程度感到震惊。”

顺便说一下黑洞的描述,你可能会认为它们是贪得无厌的怪物,像浴缸排水管一样吸入太空中的一切。 不完全是。 虽然它们是宇宙中最强大的物体——多尔曼说,将地球对折形成的黑洞可以为曼哈顿供电一年——它们并没有吞噬整个星系,只是扭曲时空,使物体偏离预期路径。

这是个好消息,因为 EHT 团队怀疑每个星系的中心都有一个超大质量黑洞。 但即使有了这些新图像,铁德说,“我们对它们几乎一无所知。” (被问到为什么黑洞是甜甜圈形状的,他回答说:“因为它们很好吃。”)

“黑洞生活在我们当前物理学和天体物理学知识的前沿,”安吉洛·里卡特说,他带着他的宠物黑洞 Poe——一个柔软的黑色球体,有两只粘糊糊的眼睛——参加了小组讨论。 这些新图像已经在帮助 Ricarte 和其他科学家研究围绕黑洞运行的过热气体的奇怪物理特性,以及这些庞然大物怎样向任何方向喷射 100 万光年的这些气体喷流。 里卡特说,这些喷流可以帮助解释“我们的宇宙起源故事”,对我们的银河系怎样演化产生深远的影响,或者将非常大的理论与非常小的理论联系起来,以支持万物理论。 “在这种极端环境下,我们仍然无法完全理解很多事情,”他说。

为了更好地理解,Doeleman 想通过在绕地球运行的卫星上放置另一个成像设备来建造一个更大的望远镜。 他还希望捕捉到比黑洞照片更令人兴奋的东西:黑洞电影。

“如果我们可以对物质的轨道进行计时,那将是对爱因斯坦理论的完全不同的检验,”他说。