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复旦通识·热问快答|施郁:黑洞照片释疑

2019-04-15 15:08暂无阅读:724评论:0

【编者按】“热问快答”是“复旦通识”系列的新设栏目,系由复旦大学分歧专业的同窗就某一热点话题向专业范畴的学者提议的即兴问答。

4月10日,全球6地同步召开新闻发布会,发布了人类首次“洗”出的位于室女星系团中超大质量星系Messirer87中心黑洞的照片。据此,复旦天文协会的三位天文喜爱者带着各自的迷惑与复旦大学物理学系施郁传授进行了交流,施郁传授首要研究包罗量子力学和广义相对论的理论物理学范畴。来听听他对此事件是怎么看的吧。

复旦大学物理学系施郁传授,首要研究包罗量子力学和广义相对论的理论物理学范畴。

问:现有的理论可以注释黑洞里面有什么器材吗?

施郁:黑洞里面其实除了中心,什么都没有,所有的质量都集中在最中心的奇点。黑洞的一个要害性质是事件视界,简称视界,是一个球面,球面里面的任何器材(即使是没有质量的光)都无法逃到皮相。视界里面的区域就界说为黑洞。从奇点到视界之间的区域其实都是空的,被吸进去的物质很快就会达到奇点,扑灭本来的形态,酿成奇点质量的一部门。这是凭据物理道理作出的判断,然则科学家如今也无法实验验证。究竟黑洞之所以称作黑洞,意思就是没有光里面出来,更况且其他物质。我们的物质世界中并没有奇点,奇点是在经典的广义相对论理论框架里必然显现的概念,在这里引力无限大。当我们考虑量子力学时,奇点或者会被消弭。然而把量子力学跟广义相对论连系起来的理论还没成长好,引力量子化的问题还没有获得很好的解决。然则霍金用量子力学预言了黑洞有非常微弱的热辐射。

问:此次的发现除了验证现有理论以外,我们是否还有其他收获?

施郁:收获首要照样在于研究黑洞自己以及黑洞在星系中的感化。此次观测的黑洞是处于星系中心的超大质量黑洞。凭据他们揭橥的论文看来,今朝的观测究竟能很好地被现有理论注释,经由观测数据与理论模拟的对照,确定了一些数据。因为超大质量黑洞四周有好多激烈的能量过程,所以这些观测数据对我们研究运动星系核中的过程、星系的演化以及其他相关的天体物理过程也有很大的意义,因为运动星系核的好多行为就是经由超大质量黑洞注释的。

问:那么此次我们探测到了黑洞的哪些数据呢?

施郁:黑洞自己其实没有几多数据,就是几个物理量,首要是质量和代表迁移快慢的角动量,理论上还有电荷,此外还有黑洞在宇宙中所处位置、与我们的距离。此次的观测改善了以前用其他方式简洁估量的几个数据,包罗质量以及相对于我们的距离和方位,也确定了这个黑洞是克尔黑洞,就是说,它是迁移的。此次还测量了光环的各种性质,好比直径、宽度、外形、在空间中的方位,等等。这些数据都很主要。广义相对论推论,因为引力感化,光距离黑洞中心也许是视界的2.6倍时,会形成围绕黑洞的光环,此次获得了证实(各类电磁波都能够叫光)。

4月10日,全球6地同步召开新闻发布会,发布了人类首次“洗”出的位于室女星系团中超大质量星系Messirer87中心黑洞的照片。

问:我们已经知道此次的黑洞是用射电波段而非可见光拍的,那么请问图片中红色是怎么来的呢?选择红色有什么科学事理吗?

施郁:照片的颜色根基上是工资的,是研究人员显露数据的一个方式,甘愿将它标记成其他任何颜色,原则上都不是问题。然则事实上,他们选择的颜色非常好。我们能够看到,这个照片上,不光仅有红色,实际上用到了从红色到黄色的一段一连的颜色,越黄越亮。他们用分歧的颜色代表了“亮度温度”,这是用量度和波长界说的一个物理量,差不多就是发出的无线电波的实际温度。最黑的处所代表绝对零度,最亮的处所的温度也许是60亿度。若是说有什么科学事理,那就是对于我们可见的热辐射来说,好比一块烧红的铁块或许煤发出的热光,从红色到黄色显着对应着分歧的温度。所以研究人员实际上是将本来的电磁波的温度分布对应到了可见光的某种温度分布,以便形象地看到。这也是为什么有人发现黑洞照片与蜂窝煤的雷同。

问:科学家们是若何经由这种千里镜阵列来达到地球那么大的等效口径的?

施郁:简洁来说,就是将这些千里镜拼成一个虚拟的大千里镜。因为这些千里镜相距很远,做不到将各个千里镜领受到的电磁波真实地传到一路,只是将它们记录下的信息连系起来,使它们等效于一个大千里镜的信息。天文学家首先要把分歧处所的千里镜的时间同步,以便正确记录各个千里镜领受旌旗的实际时间。这个同步是由每个千里镜处的非常正确的氢原子钟和GPS实现的,所以分歧千里镜即使相距很远,也很好地在时间上同步。分歧千里镜领受旌旗的时间差抵消掉之后,这些旌旗就等价于一个大千里镜分歧部位同时领受到的旌旗。因为地球在自转,统一个千里镜在空间中的位置也在络续转变,是以在分歧时间还充任了分歧的千里镜。因为这些千里镜在地球分歧处所,所以它们的旌旗整合在一路,能够等效于看成一个近乎地球巨细的千里镜。当然,在旌旗的整合处理中,需要用到好多较量机处理手艺,好比对分歧数据进行校准、剖析数据之间的关系。即使算上地球自转导致的每个千里镜在分歧时间所处的分歧位置,它们仍然笼盖整个地球巨细的面,这就需要较量机数据处理手艺。当然,在实际观测时,还需要每个千里镜地点地的天色充沛好。

问:为什么照片里的图像半边暗半边亮?这是因为多普勒效应的原因吗?

施郁:这是因为相对论束流效应,也有人叫多普勒束流效应。平日所说的多普勒效应是指频率跟着光源速度的转变,是说,光源向着视察者活动使得频率增加。正确地说,这个关于频率的多普勒效应不是相对论束流效应的悉数,不外相对论束流效应也叫多普勒束流效应。相对论束流效应中,除了光源向着视察者活动使得频率增加,还有两点,首先光源向着视察者活动使得光向活动偏向群集,并且凭据相对论,活动物体有时间膨胀效应。这些身分综合起来,使得我前面说过的亮度温度依靠于光源的活动偏向。若是光源向着视察者活动,亮度温度增加;若是光源脱离视察者活动,亮度温度降低。 如今,这些辐射来自绕着黑洞迁移的吸积盘,个中南半边朝向观测者(也就是地球)活动,而北半边远离观测者活动,所以就形成了半边暗半边亮的图像。

问:常见的一种黑洞模型是它从旁边的伴星上面吸取物质并形成吸积盘,那为什么我们在这张照片看不见伴星呢?

施郁:如今所观测的黑洞是星系中心的超大质量黑洞,质量是太阳质量的65亿倍,不是双星系统中的黑洞。黑洞的吸积盘是很常见的,纷歧定需要伴星。黑洞能够从四周的星际空间吸取物质,因为它有很大的引力,四周器材吸过来,往往形成吸积盘。

问:您适才说吸积盘的物质能够从星际空间中获取,那吸积盘为什么会形成一个盘状,而不是一个壳状?

施郁:因为被黑洞吸引曩昔的物质往往有角动量,所以不是直接掉到黑洞里,而是要扭转,再加上这些物质之间有摩擦力,里面的物质要带动皮相的物质,并且在这个过程中,这些物质的温度相对于迁移来说很低,导致贫乏脱离吸积盘的随机活动。如许就慢慢形成一个吸积盘。

问:此次事件是不是会引起引起更多的青年学者去研究黑洞相关的范畴,对于公共又有何正面影响?

施郁:解说黑洞甚至整个天文学和天体物理的研究手段取得了很猛进步,或者会吸引更多的研究者从事相关研究。此次事件想必也会增加公共和社会对物理学和天文学的乐趣,支撑科学研究。科学也是一种文化,一种生活体式,认识科学是一种有趣的运动,能给人们带来新颖感。

问:一个通俗的物理系的本科生,今后想要成为一名物理学家,他需要做些什么?

施郁:当然需要把握相关的常识和花样,每个专业有其根基的要求。若是要走上研究道路,最主要的是要对某个方面的乐趣对照粘稠,如许才会有动力索求下去、陆续下去。若是没有乐趣,就不必为了研究而去作研究,因为世界上能够做的事情好多。乐趣也纷歧定局限于某个点,能够同时对好多点感乐趣,具体的乐趣也或者会随时间转变。物理学家的研究偏向也纷歧定集中在单一的某个范畴。既然有成为物理学家的这个幻想,就应该去测验一下,不要畏畏缩缩、考虑太多诸如待遇问题这些身分。然则根蒂研究的岗位是有限的,未来也有或者分流到其他行业。即使如许,物理的练习依然是一个好的履历,还或者带来在其他范畴成长的后劲。面临各类竞争、际遇甚至挫折,也要连结精巧的心态,处理好幻想与实际的关系。此外,在目前时代,具体工作范畴经常有改变,学校也对照强调通识教育、正视能力的培育。进展同窗们珍爱本科时期的大好时光,培育乐趣,进修花样和常识,然则也不必太忽略生活中的其他方面。

复旦天文协会的三位天文喜爱者带着各自的迷惑与复旦大学物理学系施郁传授(右二)进行了交流。