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什么是黑洞、事件视界?这里一次解答

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黑洞一直是许多科学家们研究的热点。从爱因斯坦的相对论预言了黑洞的存在开始,到史瓦西提出了“史瓦西半径”,再到克尔发现的几种黑洞模型,再到霍金提出的“黑洞辐射”,人类对于黑洞的认识仍然知之甚少。那么黑洞到底是个什么玩意儿?它的形状是什么样的?真的是一个“洞”么?全球首张黑洞影像曝光,不但是天文学界的重要里程碑,也是人类非凡成就,但什么是黑洞?什么是事件视界?为何研究黑洞如此重要?

问题一:什么是事件视界?

黑洞是个全暗的物体,光线不能从黑洞逃离。黑洞的边界叫做事件视界,事件视界大小约仅本身所投阴影的五分之一,直径不到400亿公里(地球的直径是12,742 公里)。而事件视界望远镜即是一个国际合作计划,计划宗旨是要获得史上首张黑洞图像。

问题二:黑洞不是不发光吗?那怎么拍摄黑洞的影像?

其实,我们无法拍摄黑洞本身,因为黑洞是全暗的物体,但是,藉由拍摄黑洞的阴影,可以间接证实黑洞的存在。事件视界望远镜是拍摄黑洞的阴影。

黑洞会形成很大的重力场,当光线受到极强的重力偏转时,会形成阴影或剪影,而将此暗影形成图像即为事件视界望远镜的目标。事件视界望远镜拍摄的图像,是使用反卷积技术并经过仔细处理而产生的而非传统的摄影技术。直接成像事件视界区域是计画主要目标。

问题三:事件视界望远镜计划如何拍摄黑洞影像?

只有在光谱的微波波段才可能取得黑洞极清晰图像,因此,事件视界望远镜让分布在地球表面各处的电波望远镜(又称天线)共同合作,结合成一个如地球一样大的虚拟望远镜,才有可能看到黑洞。

此外,为了避免受水气影响,这些望远镜都放置在高海拔、干燥大气的偏远地点。望远镜所记录的信号经组合、处理后,获得最终图像。

在这个高挑战的计划中需要各方面专家,包括天线优化、接收机开发、信号相关、校准、成像中的反卷积法、黑洞理论、喷流、广义相对论、计算模拟等。全球超过200位科学家齐聚在此,就是为了实现史上第一次的黑洞成像。

问题四:黑洞真的存在吗?

事件视界望远镜(EHT)观测的目标是验证黑洞是否存在。这件任务有助于检验爱因斯坦广义相对论的研究。如果观测结果肯定相对论的理论,代表我们的科学发展走在正确的路上。但是,如果观测结果与理论不符(例如,无法证明黑洞存在),那目前我们所拥有的知识跟理论,就必须大幅修改。

问题五:为什么研究黑洞很重要?从EHT观察中可以学到什么?

EHT的目标不仅是要证明黑洞存在,也希望了解黑洞和落入黑洞中的周围气体。其他天文观测已有充分间接证据证明黑洞存在,我们已经知道,在黑洞相对较远的距离内,它们会借重力影响周围环境,而广义相对论则对此有很好的解释。然而目前为止,我们从未直接观察到距黑洞非常近的地方,那是距离事件视界非常近的地方,EHT旨在填补我们经验知识中这部分的空白。

黑洞在我们宇宙中是一个特殊的地方,预计能解释宇宙最大和最小尺度最基本的两种理论(广义相对论和量子物理)在黑洞这个地方将直接接触。虽然这些理论在各自尺度中表现非常出色,但我们目前还不了解如何创建一个普遍而单一的物理理论,可详细解释黑洞物理学。 (例如,会产生的所谓信息悖论)。

除了基础物理理论之外,黑洞周围的电浆物理学方面也还有许多细节,科学家尚未能完全理解。被引入黑洞的热气体的性质虽然尚无法完全弄清楚,但是,它们对于解释黑洞图像至关重要,因为望远镜所观察到的辐射发光电浆即是由它所产生。实际上,这种发光的热气体照亮了黑洞周围的时空形状。 EHT观测将帮助我们进一步了解这些气体的性质和行为。

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