重磅 | 人类首次看见黑洞！我们可以给孩子讲点什么？（值得收藏！）
2019/4/11 21:19:59 妇幼健康服务
刚刚，美国国家科学基金会
在“事件视界望远镜”项目首个发现发布会上
发布了
人类历史上首张黑洞照片!!
该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。
它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。
爱因斯坦广义相对论被证明在极端条件下仍然成立。
黑洞有啥学问？
那么这时，问题随之而来了——黑洞是怎样形成的？连光子都无法逃离的黑洞，科学家是如何让它现形的？一起来看!
快看关于黑洞的这些知识点，一起涨知识
黑洞是怎么被发现的？我们为啥要给黑洞拍照片？给黑洞拍照片时到底拍的是什么东西？这些问题被孩子问起时，你会回答吗？
快和中教君一起学起来!
Q
宇宙中的黑洞是怎么被发现的？
科学家们发现在一些被X射线望远镜发现的双星(由一个致密星和另一个正常恒星组成)中，致密星的质量比中子星的质量上限(约为3倍太阳质量)还大，但半径却差不多，因此认为这些引力极强的致密星只能是黑洞。
目前在银河系中已发现20多个黑洞X射线双星，它们的黑洞质量大约是太阳质量的5到20倍。
黑洞剪影的模拟图像：广义相对论预言剪影是圆形的(中)，其他理论则预言了不同的形状(左、右)。图片来源：D. Psaltis and A. Broderick
最近几年，地面激光干涉引力波天文台(LIGO) 已宣布已探测到11对双黑洞并合产生的引力波，这些黑洞的质量都是几十个太阳质量。
天文学家通常把这些质量为几个到一百个太阳质量的黑洞叫恒星级黑洞。
二次世界大战后，雷达技术广泛用于射电天文，许多宇宙射电源被发现。这些射电源的光学像有的看起来很像恒星，但光谱观测显示它们本质上不是恒星，而是谱线有巨大红移的银河系外遥远天体。
这些被称为“类星体”的活动星系核能辐射出比银河系高成千上万倍的能量，其发光原理不能用核反应来解释。
科学家们认为类星体的能源来自于其中心质量极大的黑洞吸积周围物质所释放出的巨大引力能↓
类星体中心超大质量黑洞及吸积盘、喷流示意图 | 图片来源：NASA/Goddard Space Flight Center
后来的观测表明像我们银河系这样的正常星系中心也存在质量在百万太阳质量以上的黑洞，只是因为这些正常星系中心的黑洞周围没有多少可供吞噬的物质，所以其表现不如类星体中心的黑洞“活跃”，无法释放像类星体那样巨大的能量。
天文学家把类星体和星系中心质量在百万到百亿倍太阳质量的黑洞叫超大质量黑洞。
那么宇宙中是否存在介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间、质量为几百到几十万倍太阳质量的中等质量黑洞呢？天文学家虽然在一些近邻星系的极亮X射线源中似乎已找到中等质量黑洞存在的迹象，但还需更多的观测予以证实。
Q
捕获首张黑洞照片的事件视界望远镜有何特殊之处？
是如何运行的？
中国科学院国家天文台研究员、《中国国家天文》执行总编苟利军表示，首先这些望远镜都是在亚毫米波波段，通常需要在海拔比较高的地方来减少大气中水气对于亚毫米光子的影响。比如说位于智利的ALMA望远镜的海拔就有5000多米，这些分布于全球不同地方的望远镜通过所谓的甚长基线干涉技术(VLBI)连成一个虚拟网络，构成了一个口径达到一万公里的望远镜，VLBI技术是实现成像观测的关键。
Q
都说黑洞看不见摸不着
那么给黑洞拍照时，我们在拍些什么？
苟利军表示，黑洞本身不发光，但是黑洞周围通常都会有一个吸积盘，吸积盘有比较强的辐射或者说是发光的，所以在明亮吸积盘的衬托之下，黑洞就会产生一个所谓的黑洞阴影。这次的观测就是通过观测黑洞本身及其临近区域，看到黑洞的阴影。
Q
截至目前，我们对黑洞的认识是怎样的？
苟利军表示，对于黑洞的认识也经历了一个漫长的过程，从两百多年前，拉普拉斯基于牛顿的万有引力提出暗星，到大约100年前，史瓦西基于广义相对论得到第一个没有转动的精确黑洞解，自此之后，很多的物理学家都对黑洞研究做出了贡献，包括奥本海默、科尔、基普索恩、霍金等。我们现在有很多的电磁观测表明黑洞应该是真实存在的，然而我们就是没有看到过黑洞的真实模样，所以此次照片的影响是巨大的。
Q
都说黑洞会吞噬掉很多东西，
那它吸进去的东西都去哪里了？
苟利军表示，这的确是一个非常有趣的问题，在被吞噬的过程当中，物质都首先会被撕裂成一些最基本的粒子，然后很可能在黑洞的内部又进一步发生其他的物态变化，具体会发生什么样的过程，我们并不是特别的清楚。
经典的理论认为，掉到黑洞里的物质都会朝着中心的奇点运动，最后会聚集在那里。随着聚集的物质越来越多，质量也会变得越来越大，黑洞的半径也会变得越来越大。
Q
为什么花这么多钱给黑洞拍照？
有什么意义和价值呢？
苟利军说，因为是第一次看到黑洞，所以满足我们黑洞模样的好奇感，另外从科学的角度还可以提供很多的信息，帮助我们了解气体在黑洞内区真正的运动状态。
@新华社 ：关于黑洞，你想知道的都在这里了!
这是人类史上首张黑洞照片。新华社发(事件视界望远镜项目组 供图)
黑洞，一个无人不知却知之甚少的生僻热词，今天迎来历史性一刻——北京时间10日，一个“超巨型”质量黑洞在上海等全球多地向人类首次示现真容，以一张高清“写真”，用“眼见为实”的方式，定格了自己的真实存在，也引发了人们更多好奇。
黑洞预言流传百年来，我们是第一批“看见”黑洞的人类!
为先睹为快，新华社记者第一时间独家专访了发布会现场多位科学家，用最简单的语言解密此次里程碑式发现背后的“十万个为什么”。
——来啦，黑洞，请先来个自我介绍。
黑洞答：好，我在全球新闻发布会现场为你介绍。我活了100多亿年，人类终于给我拍了张照片。今天，我的“写真”以特刊形式发表在《天体物理学杂志通信》上，为我拍照的设备是一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜，200多位科研人员通过将地球上不同地点的8个射电望远镜组合成观测阵列，终于拍下了我的“盛世侧颜”。
——黑洞，原来过去这些年你只是“传说”？
黑洞答：没错!
解说：尽管在《星际穿越》等科幻电影中，我们曾一次次“真切”地领略黑洞的瑰丽，但那些画面都只是导演们“一厢情愿”的想象，黑洞到底长啥样没人真正见过。
约100年前，以爱因斯坦为代表的伟大科学家预言，大质量恒星在燃料耗尽、生命终结之后会向内部中心区域崩塌、集聚，最终形成黑洞。
早期，黑洞只存在于牛顿万有引力定律和爱因斯坦广义相对论的公式和方程中，因为太过“超出人类理解”，就连最早预言的人都怀疑黑洞的真实存在。“直至2015年，人类首次探测到两个黑洞合并所产生的引力波，才强有力地证明了黑洞的存在，但那仍只是间接证明。”参与此次国际合作的中科院上海天文台台长沈志强说。
所以，无图无真相，在没有眼见为实“看到”黑洞之前，它一直是“传说”。
——这位“隐士”，你到底“躲”到哪里去了？
黑洞答：如果非要给“你我”之间加上个距离，那就是5500万光年。
解说：此前，黑洞确凿地存在于科学家们无数的推测数据中，但我们始终未曾与其谋面。如今，人类终于为黑洞拍下了第一张照片。
沈志强指着这张照片说：“人类拍到的这个黑洞，位于室女座星系团中一个超大质量星系——M87的中心，距离地球5500万光年。我们所在的银河系也是‘室女座’星系团的一员。”
4月9日，在中科院上海天文台，中方团队成员路如森研究员(右)和黄磊副研究员在讨论黑洞照片的成像原理。新华社记者 金立旺 摄
——听说你长得“大到没边”，那究竟是多大？
黑洞答：不准确!我只是很重，但我的体积很小。
解说：在多数人的想象中，黑洞之“大”超出人类对于大尺寸数量级的直观认知。但准确说，“黑洞只是质量和密度超乎想象的大，比如这次拍到的黑洞质量是太阳的65亿倍，属于超大质量黑洞，但体积却比较小，小到在其内部几乎没有空隙。”参与此次国际合作的中科院上海天文台研究员路如森说。
举个例子，“如果我们要将太阳变成黑洞，必须将太阳压缩到一个半径非常小的空间内。”沈志强说，而一旦太阳被压缩到这么小的空间内，就可以改名叫“黑洞”了，它拥有超强引力“先天基因”，可“吞噬”周围的气体、尘埃，乃至临近的恒星系和较小的黑洞。超强引力帮助黑洞以极其暴力的方式“跑马圈地”，宣誓自己的“势力范围”。
——首张黑洞“写真”拍的是你哪个“部位”？
黑洞答：我的侧颜“轮廓”。
解说：参与此次国际合作的、论文发表工作组五成员之一、中科院上海天文台副台长袁峰说：“照片中，黑色圆影的中央‘隐藏’着黑洞的真身。圆影外侧新月形的光环是黑洞周围气体发出的光，所以，准确地说，首张黑洞‘写真’拍到的是黑洞的‘轮廓’。”
人类史上首张黑洞照片如何拍成？2分钟带你看懂!
——黑洞，你到底黑不黑？
黑洞答：外面黑，里面也许不黑。
黑洞像个“至暗无底洞”，即便大名鼎鼎的“最牛飞毛腿”——光也难逃“魔洞”。但已故科学家斯蒂芬·霍金推断，黑洞并不像想象的那么黑，事物可以从黑洞逃脱。
哪个是真？哪个是假？
“从照片上看，黑洞的势力范围之内的确漆黑一片，但是势力范围里面，那个质量超大、体积超小的天体到底什么颜色，照片上还看不清楚。”沈志强说。
而对于被黑洞吞噬的一切事物有没有科幻电影中畅想的“逃离通道”，路如森说：“仍不清楚，照片中没法看到，可能没有。”
——听说物理教科书中某些理论失效了？
黑洞答：高兴得有点儿早。
2016年，有科学家在对2015年人类第一次观测到的引力波数据进行分析后表示，在黑洞周边，爱因斯坦的广义相对论可能会失效。真的吗？
黑洞首张“写真”揭晓了谜底。袁峰说，在没有拍到黑洞照片之前，科学家根据爱因斯坦广义相对论精准计算出了黑洞真身外黑色区域和新月形光环的结构。“拍到黑洞照片后，我们发现，真实情况跟我们计算的结果一模一样，可见，观测结果验证了爱因斯坦的广义相对论。”
但是，沈志强说，由于目前我们还无法“看清”黑洞的最里面，那里的运行规律是否与人类已知物理定律相悖还不得而知。
物理教科书目前再次经受住了考验，你兴奋吗？
——人类“千年等一照”，然后呢？
黑洞答：难道就不想再看看我到底是不是宇宙中最厉害的存在？
作为宇宙中第一批亲眼看见黑洞的“碳基生物”，生活在今日地球上的人类已然可以“无悔”，但好奇心不止的人类依然在努力。
“首次拍到黑洞真容只是迈出了人类认知黑洞的历史性一步，接下来我们将进一步增加观测望远镜的数量、分辨率，甚至不排除在外太空‘组建’更高清晰度望远镜的可能性。”袁峰说。
“我们希望用更短的时间拍出细节更丰富、角度更多样的黑洞照片，也希望有朝一日能在宇宙中开展系统的‘黑洞普查’。”沈志强说，这将有助于进一步验证爱因斯坦广义相对论等人类基础科学理论，也有助于人类弄懂黑洞到底是怎样的存在，星系中心壮观的喷流是如何产生的，宇宙究竟有多大、如何形成又如何演化。
“我是谁、我从哪里来、要到哪里去”，黑洞，人类“终极三问”的答案都在你那吗？
我们好期待!
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