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FAST大100倍!为何中国望远镜无缘参与对银河系黑洞照相

来源:腾讯

经过5年的不懈努力,科学家团队终于拍到了银河系中心黑洞Sgr A*的照片,这对于天文学来讲是一件了不起的大事情。

银河系中心黑洞图片

关注科学新闻的小伙伴们对这张照片应该有似曾相识之感,没错,它很像2019年4月10号公布的室女座 M87*黑洞,一不留神就很容易搞混。其实这两个黑洞相距了5300万光年,M87是一个非常非常遥远的椭圆形星系,M87*是这个星系的核心。

2019年公布的M87*黑洞图片

黑洞是宇宙中的一种天体,它的质量比太阳大许多倍,但要想给它照相却很不容易——因为它是黑的,你用光学望远镜看不见它。

在此之前,我们看到的黑洞图像都是凭想象画出来的,哈勃太空望远镜能拍到宇宙中大多数天体,却不能拍到黑洞。在下面这张哈勃深场照片中有上万个星系和恒星,同时也有许多黑洞,但黑洞本身不发光,它们都淹没在黑暗的空间里。

哈勃望远镜拍不到黑洞

黑洞为什么不发光?这要从它的出身说起。

大多数黑洞的前身是一颗巨大的恒星,当恒星耗尽它的“燃料”之后,其内部膨胀的力量顶不住“外壳”的压力,所有物质在引力作用下瞬间坍塌,造成非常剧烈的爆炸。爆炸造成一部分恒星物质被抛向太空,更多的物质被压成了一颗致密的小球。这个小球非常非常小——想象一下一颗比太阳大许多倍的星球被压缩成比原子还小的颗粒,天体学家把它叫做“奇点”。

奇点的大小在物理学上存在争议,但大家公认它的密度近乎无穷大,按照爱因斯坦的理论,大质量黑洞会扭曲周围的时空,导致光线被弯曲,附近一定距离内的光进去就出不来,自然不能被我们的眼睛接收到,光能逃跑的距离被称为“史瓦西半径”。

黑洞在史瓦西半径之内是全黑的

我们能观察“史瓦西半径”之外的世界,却无法窥视里边的一切,黑洞是纯黑的,这个边缘被称为“事件视界”。那么,科学家怎么知道有黑洞存在?纯粹靠猜?

科学需要猜想,但不能只靠猜,科学是讲证据的。

天体物理学家很早就猜测我们银河系的中心很可能有一个巨大的黑洞,因为从人马座附近探测到异常明亮的X射线流,但没有任何一台望远镜能看到它。直到2018年,一个科学家团队发现这里有一颗恒星“S2”绕着一个虚无的区域极快速运动,最快竟达到光速的2.55%,结合爱因斯坦广义相对论预测的引力红移现象,判断这里就是银河系中心黑洞“人马座A*”又称Sgr A*(读作A星),证实这个黑洞的科学家获得了2020年诺贝尔物理学奖。

科学家通过快速运动的恒星轨迹确定黑洞位置

科学界总是“卷”得厉害,实际上在Reinhard Genzel和Andrea Ghez发现人马座 A*是黑洞的前一年,也就是2017年4月,另一个科学家团队就利用“事件视界望远镜”(EHT)拍摄了银河系中心,只不过他们“冲洗”这张照片硬是耗费了5年时间!

如果黑洞周围没有任何东西,以人类目前的技术手段是无论如何都不知道它长啥模样,因为黑洞不发射任何东西。但如果有什么天体很不幸地进入它的引力范围,就会被拖住、撕碎、吃掉,这时候我们就能“看到”它的影子。

黑洞在吞噬天体时会发出强光和射线

还记得前几年手机厂商宣传的“底大一级压死人”吗?他的意思是我的镜头大、感光元件比你大,拍的照片就比你好。摄影爱好者也都清楚,镜头大、光圈大,进光量就大,成像质量就更好。其实给黑洞“拍照片”也是同样道理,你望远镜的口径越大、收集区面积越大,接收到的电磁波越强,就更容易得到更清晰的黑洞图片。

为了观察黑洞,全球天文学家成立了一个组织,利用超长基线干涉技术把各个地方的射电望远镜组成网,构成一台虚拟的、直径相当于地球大小的望远镜阵列,这就是“事件视界望远镜”(EHT)。

事件视界望远镜分布在西半球多地

在这组望远镜中,最大的一台是位于墨西哥第五高峰的“大毫米望远镜”(LMT),其直径50米,信号收集区面积为1960平方米,它也因此成为EHT的主力。

有朋友说:这不对吧?中国的500米孔径球面射电望远镜(FAST)直径达到500米,它的信号收集区面积达到196000平方米,是墨西哥LMT的100倍!一台FAST就顶过其它望远镜面积之和,为什么EHT把中国的FAST排除在外?

FAST的接收面积是LMT的100倍

照理说,中国的FAST接收面积更大,应该“拍”黑洞更清楚,为什么“事件视界望远镜”要把FAST排除在外?

这里有几个原因:

首先这个项目是由西方天文学界主导,人家搞项目肯定要选自己“称手的兵器”。在过去的百年时间里,西方天文学一直走在世界前列,天文研究需要大投入、大设备,这些东西主要分布在美洲、欧洲,后来他们也在非洲和南极建设了一些天文台。不可否认,在这方面他们更先进,也更有话语权。

其次,超长基线干涉技术的一个重点就是要做到同时观测。所有分布在各地的望远镜要预先对准目标点,然后在同一个时间接收数据。不仅如此,因为地球是圆的,不同地点的望远镜接收到同一束电磁波照射的时间有先有后,所以还需要通过复杂的计算来消除时间差。

FAST在地球另一边

从地图可以看出,EHT的大多数望远镜都分布在西半球,而我们的FAST在东半球,当其它望远镜瞄准目标时,FAST却朝向相反方向,它什么都看不见,没办法做到跟别人同步。因此不具备加入EHT的条件。

既然我们的望远镜够大,以我为主能拍到黑洞吗?

很遗憾,也做不到。

FAST在设计之初就不是为了给黑洞成像用的,它的信号接收频率在3.0GHz-70MHz之间,也就是说FAST只能接收波长在0.1米~4.3米范围内的电磁波。这个波段主要用来探测宇宙中的脉冲星、调查中性氢的分布、研究星际间的分子,以及接收可能的外星通讯信号。

银河系里迷雾重重

我们的银河系并不是透明的,在恒星与恒星之间还分布着许多气体和尘埃,这些星际间物质会散射电磁波,波长越长,散射就越厉害。FAST能接收的最短波长是0.1米,而要想对黑洞更清楚地成像,科学家需要毫米波和亚毫米波的望远镜。

现在你知道了:中国的500米孔径望远镜尽管很大,但FAST的观测频率不能穿透银河系浓雾,无法拨开黑洞的“面纱”;加上我们处在东半球,人家的望远镜主要是在地球另一边,所以拍黑洞这件事,FAST帮不上忙。