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上海和首张黑洞照片因何“结缘”?

导读:

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再过几个小时,世界上首张黑洞照片就要和大家见面。

今天21时整,全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和中国台北、日本东京和美国华盛顿)将以英语、西班牙语、汉语和日语四种语言,通过协调召开全球新闻发布会,事件视界望远镜(EHT)宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果。

为何上海会成为全球六个发布会地点之一?它与EHT因何“结缘”?

什么是“黑洞”

“黑洞”这个名词的第一个字“黑”,表明它不向外界发射和反射任何光线或其他形式的电磁波。因此人们无法看见它,它是“黑”的。第二个字“洞”,意思是说,任何东西只要一进入它的边界,就休想再溜出去了,它活像一个真正的“无底洞。

假如用一盏威力巨大的探照灯向黑洞照去,它是不是就原形毕露了?不。射向黑洞的光无论有多强,都会被黑洞全部“吞噬”,不会有一点反射。“洞”之“黑”依然如故。

黑洞并非科学家们在一夜之间突然想到的。早在1798年,法国科学家拉普拉斯就根据牛顿的力学理论推测:“一个密度像地球,直径为太阳250倍的发光恒星,在其引力作用下,将不允许它的任何光线到达我们们这里。”

对这些话,可以作如下的理解——

宇宙飞船要脱离地球进入行星际空间,速度至少要达到11.2千米/秒,否则它就摆脱不了地球引力的束缚。这11.2千米/秒的速度,就是一个物体从地球引力场中“逃逸”出去必须具备的最低速度,称为地球的“逃逸速度”。太阳的引力比地球强得多,因此太阳的逃逸速度要比地球的大得多,等于618千米/秒。如果一个天体的逃逸速度达到或超过了光速,那么就连光线也不可能逃逸出去了。这样的天体就是黑洞。

宇宙间没有任何物体的速度能超过光速。既然连光都逃不出黑洞,那么其他一切东西当然也就逃不出去了。

随着科学的发展,人们对黑洞的认识逐渐深入。如今,关于黑洞的更正确的说法是:“黑洞是爱因斯坦在20世纪初期创立的广义相对论预言的一种特殊天体。它的基本特征是有一个封闭的边界,称为黑洞的‘视界’;外界的物质和辐射可以进入视界,视界内的东西却不能逃逸到外面去。”

黑洞这种“只进不出”的禀性,使它有了一个不雅的外号:“太空中最自私的怪物”。但是20世纪70年代中期,以霍金为首的一些学者基于量子理论对黑洞作了更缜密的考察,结果发现黑洞还具有另一种出乎始料的特征,即它会像“蒸发”那样稳定地向外发射粒子。考虑到这种“蒸发”,黑洞就不再是绝对“黑”的了。

霍金还证明,每个黑洞都有一定的温度,而且温度的高低和黑洞的质量成反比。也就是说大黑洞的温度很低,蒸发也很微弱;小黑洞的温度很高,蒸发也很强烈,类似剧烈的爆发。一个质量像太阳那么大的黑洞,大约需要1066(即“1”后面跟着66个“0”)年才能蒸发殆尽;但是质量和一颗小行星相当的小黑洞却会在10-22(小数点后面21个“0”再跟上一个“1”)秒内蒸发得干干净净。

所有这些,在研究天体和宇宙的起源与演化时,都具有非同寻常的重要性。

为什么是上海?

EHT是由全球200多位科研人员共同达成的重大国际合作计划。据EHT透露,团队通过“甚长基线干涉技术”(VLBI)和全球多个射电天文台的协作,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜——事件视界望远镜,其分辨本领相当于身处纽约,也能够清楚细数远在洛杉矶的一个高尔夫球上的凹洞。团队将分散在世界各地的射电望远镜同步,使它们同时观测宇宙中的某个方位,记录下制作黑洞图像所必需的信息。

上海之所以能参与到这个全球大科学计划中去,是因为其在VLBI技术上走在前列。

1971年,上海天文台就提出了研制VLBI的计划。1981年,中国科学院院士叶叔华担任上海天文台台长后,VLBI项目也正式上马。为更好地发挥VLBI网的作用,她向上海市领导建言再做一个65米的望远镜,成为中国科学院和上海市的合作项目,未来不管航天器到木星、土星或是太阳系边缘,测轨都不在话下。

她参与倡导将VLBI技术用于我国空间探测,2007年VLBI技术成功应用于“嫦娥一号”探月工程中。2012年,上海65米射电望远镜落成,现已在深空探测和天文研究中发挥了很大作用。这些年的建设为上海培养了一批熟悉VLBI的人才,为参与EHT全球计划打下了基础。