黑洞存在吗还是只是理论(太阳系会有黑洞存在吗)

这是视界的第一张照片，其意义不言而喻。

图示:2017年4月，事件视界望远镜合作项目利用全球8个射电望远镜阵列指向A星系(Galaxy 87)，进行为期5天的观测。这是超级黑洞的真实图像，它的视界清晰可见。(图片来自:事件视界望远镜合作组织及相关组织)

多样性不仅是生命的调味品，也是宇宙生命发展的自然结果。遵循宇宙法则，引力在许多成分中创造出各种各样的物质簇。从稀薄的大气层到巨大的恒星，它们聚集成星系、云以及一个巨大的宇宙网络。

虽然我们可以看到地球上浩瀚的宇宙，但我们只能看到它的一瞥。当最大质量的恒星死亡时，黑洞就形成了:此时，巨大的质量被装进了一个非常小的体积，任何信号都无法逃逸。这就是为什么我们可以探测到黑洞周围的物质和光，却看不到活动视界。

首次成功获得视界的图像对我们科学界来说是一个不可思议的成功。

图示:从地球上观测到的第二大黑洞——位于M87星系中心——质量是银河系黑洞的1000倍，距离地球的距离是银河系黑洞的2000倍。来自M87黑洞中心的相对论喷流是迄今为止发现的最大最直的喷流之一，也是我们发现的第一个事件视界。(图片来自欧洲航天局空/哈勃望远镜(NASA/HUBBLE)，美国国家航空航天局空官网)

首先，我们看到了什么？

我们观察什么，取决于我们的观察点和观察方法。如果要看到事件视界，地球视角中最大的黑洞是观测的最佳选择，这意味着黑洞的实际大小与距地球距离的比值要最大化。然而，宇宙中可能有上亿个黑洞。到目前为止，我们所知道的比率最大的黑洞位于银河系中心，距离地球约25000光年。

基于事件视界的表观大小，银河系中心的黑洞是地球可见的最大黑洞，其质量相当于400万个太阳。第二大黑洞是M87星系中心的黑洞，距离我们约6000万光年，质量远超银河系黑洞，相当于66亿个太阳。

图示:事件视界望远镜捕捉到的6000万光年外M87黑洞事件视界的本来面目。事件望远镜重新计算出黑洞的质量约为66亿太阳质量。(图片来自视界望远镜组织及相关机构)

这台视界望远镜的观测目标是银河系黑洞(人马座A*)和M87星系黑洞。起初，科学家预测银河系中心的黑洞(人马座A*)比M87星系的黑洞略大，但迄今为止，还没有获得人马座*的图像。

我们观察宇宙的时候，并不总是顺利达到目的。我们得到的更多的是宇宙向我们展示的东西，所以虽然人马座A*在视觉上更大，但科学家们是第一个观测到M87星系黑洞的，因为它更亮，传输的信号更清晰。

我们的探测结果非常惊人。图像中心的小黑点实际上是活动视界本身的轮廓。我们探测到的光来自活动视界周围的高速高温物质，这些物质会产生电磁辐射。有这些物质存在的地方，就会有无线电波。黑色圆形区域的形成是因为视界隔离了这些无线电波。

插图:x光/红外线成像。人马座A*，一个来自银河系中心的黑洞，周围是发射X射线的热气，质量相当于400万个太阳。(x光:NASA/马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校/王博士等相关机构，红外:NASA/ Tai 空望远镜科学研究所)

对于M87，我们看到了我们期望看到的一切。而人马座A*，我们就没那么幸运了。当我们观测黑洞时，我们试图观测星系中心超大质量黑洞周围的射电背景。黑洞的视界就在这些射电的前面，形成一个轮廓。为了获得这样的图像，必须满足以下三个要求:

1.合适的分辨率。这意味着你想要看到的物质必须在你的望远镜(或望远镜显示器)中至少有一个像素。

2.星系有高强度的无线电波。这意味着你正在观察的星系中的无线电背景应该足够强，与事件视界的轮廓形成鲜明的对比。

3.透明射线。这意味着黑洞可以顺利到达，不会受到前景信号的干扰。

(上图:Jet-from哈勃太空望远镜/NASA/WIKISKY。下图:无线电波成像——来自国家射电天文台/射电望远镜甚大天线阵。下图:X射线成像——来自NASA/钱德拉X射线望远镜)

上图是从三个角度对地球上第二大黑洞—M87黑洞的观测。上图是哈勃太空望远镜拍摄到的M87黑洞的喷流。左图为NARO的无线电波图像，右图为钱德拉X射线望远镜拍摄的X射线图像。

虽然M87黑洞距离地球的距离是人马座A*的2000倍，但它的质量相当于66亿个太阳。因此，科学家们通过视界望远镜成功观测到了M87黑洞，而不是人马座A*。

我们已经多次在不同波长的光中观察到黑洞周围发出的电波，包括光谱的无线电部分。M87符合所有三个必要的标准，但银河系黑洞没有足够的信噪比来产生图像。我们对地球视野中的两个黑洞的成像非常感兴趣，但遗憾的是我们仍然无法按照自己的意愿观测宇宙。

地球上可以看到的第三大黑洞位于NGC 1277星系遥远的中心。虽然地平线望远镜可以到达这个星系，但这里的无线电波非常微弱，无法看到黑洞的轮廓。第四大黑洞位于仙女座星系，离我们不远，但即使我们使用地平线望远镜，也无法观测到它的轮廓。

图示:事件视界内不同望远镜的视图，有助于“事件视界”望远镜具备地球半球的成像能力。从2011年到2017年，尤其是2017年连续收集数据，足以帮助我们首次构建黑洞的事件视界图像。(阿塔卡马探路者实验(APEX)、IRAM 30米望远镜(IRAM)、g .纳拉亚南、j .麦克马洪、JCMT/JAC、s .霍斯特勒、d .哈维、ESO/C .马林)

2.我们是如何看到黑洞的？

这是最吸引人的部分。和其他望远镜一样，视界望远镜需要从两个方面收集数据，才能跨越某个阈值。

事件望远镜需要足够的光线来区分信号和噪声，强弱无线电区域，以及黑洞周围的区域和星系中心的其他区域。

事件望远镜需要非常高的分辨率才能在宇宙中精确定位。

只有满足以上两点，视界望远镜才能帮助我们看到宇宙天体，包括黑洞。由于黑洞的角度非常小，所以需要克服很多困难才能用视界望远镜看到它。

图示:据估计，银河系中心的黑洞是地球最大的表观尺寸。2019年4月10日，事件视界望远镜获得了第一张黑洞视界的图像。事件视界(白色部分)的大小与黑暗区域(黑色部分)的大小之比完全符合广义相对论的推论和黑洞本身的质量。(尤特·克劳斯，希尔德斯海姆大学物理教育小组克劳斯；背景:阿克塞尔·梅林格)

因为黑洞周围区域的运行速度很高，区域内由带电粒子组成的物质会产生很强的磁场。带电粒子通过磁场时会产生辐射，这就是无线电信号产生的原理。即使是直径只有几米的中型望远镜也足以接收到这些信号。为了从噪声中收集有用的信号，满足一定的聚光能力是很容易的，但满足分辨率要求是很有挑战性的，这都取决于不同波长的光能够通过望远镜直径的多少。为了看到星系中心的小黑洞，我们需要一个直径为5000米的光学望远镜。在无线电波较长的星系中，我们甚至需要直径为1200万米的望远镜。

这张图显示了用于观察地平线望远镜(EHT)和全球毫米VLBI阵列(GMVA)的望远镜的具体位置。这是第一次，它成功地拍摄了一个巨大黑洞的视界。(ESO/O. FURTAK)

这就是为什么视界望远镜如此强大和智能。它用来观测黑洞的技术被称为VLBI(甚长基线干涉测量法)，这项技术需要至少两台望远镜，它们可以从两个不同的位置进行同一类型的测量，并将它们结合起来。

同时，你不仅可以得到两台碟式望远镜采集数据的汇总，还可以利用碟式望远镜之间的距离做出推断。在地球的直径上分布多台望远镜，这样我们就可以收集所有能让我们看到地平线的数据。

图示:计算能力和数据运行速度一直是EHT研究的限制因素。最初的EHT研究始于2007年，当时根本无法实现今天的数据处理。以下是科学家埃弗里·布罗德里克的一段对话节选。(周界研究所)

“数据传输速度真是不可思议:

它能以每秒2300亿次检测的速度记录无线电波。

相当于在每个站点每秒记录8GB的信息。

8站望远镜同时运行1小时，观测数据高达225TB。

连续工作1周，可以收集27PB(Pb)的数据！

科学家们从M87星系收集了总共5PB的数据，所有这些数据都用于获得黑洞的图像。"

图示:麦哲伦星云下的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵列(ALMA)。大量的碟形天线构成了ALMA的一部分，它们为收集宇宙中的详细图像做出了巨大贡献。几个碟形天线分布在很远的地方，在明亮的地方负责观察细节。因为ALMA收集的数据和视界望远镜收集的信息结合在一起，就有可能对黑洞视界进行成像。(ESO/C .马林)

3.我们得到了什么？

我们的收获还是很可观的，更多的细节会在以后公布。但是现在我们有四个重要的收获与你分享。

第一，黑洞确实存在！这是最重要的一点。人类提出了很多黑洞不存在的可能性，但是这个事件视界的直接成像足以推翻所有的怀疑。目前，我们不仅有来自LIGO科学合作组织的间接证据——围绕银河系中心的轨道重力测量和来自X射线双星的数据，还有直观的视界图像。

第二，广义相对论又对了！这太令人兴奋了！利用爱因斯坦的理论，科学家预言视界不是扁圆形或扁圆形，而是球形。另外，没有射电的区域大小完全取决于黑洞的质量。根据广义相对论，最里面的稳定圆形轨道是最终逃离黑洞引力的亮光子。

以全新的测试形式，广义相对论又赢了！

图示:基于黑洞相对于我们的位置，我们模拟了银河系黑洞在事件视界望远镜中的成像(模拟基于以下假设:事件视界存在，相对论方程成立，所有参数适用于系统)。这些模拟实验从2009年开始，已经持续了10年。(事件视界成像:超大质量黑洞的SUBMM-VLBI，S. DOELEMAN等人。)

第三，我们对黑洞周围射电的预测和模拟非常成功！这让我们不仅可以知道黑洞周围的环境，还可以知道黑洞周围物质和气体的动力学。这是一个伟大的成就！

第四，我们知道引力推断的黑洞质量是正确的，而X射线观测推断的黑洞质量普遍较低。对于M87星系，两种估计的差异系数为2；对于人马座A*，两个估计值的差异系数为1.5。

现在我们知道“引力”是一个研究方向，因为M87星系引力估算的66亿太阳质量与地平线望远镜估算的65亿太阳质量高度一致。但是X射线观察的结果是低的。

图示:我们在银河系中心的超大质量黑洞周围发现了大量的恒星。在红外观测下，这些恒星的轨道可以在半人马座A*数光年内被追踪到，这有助于我们估计中央黑洞的质量。类似的计算方法也用于M87星系的黑洞计算，但更复杂。通过直接分析M87星系中的黑洞，我们可以清楚地看到，由引力推断出的质量与地平线望远镜观测到的实际值更加吻合。但是x光观察的结果却不是。(S. SAKAI / A. GHEZ / W.M. KECK天文台/加州大学洛杉矶分校银河中心小组)

通过事件视界望远镜的科学研究，我们将了解到更多的东西:我们可以知道黑洞为什么会爆发，吸积盘中是否出现类似热气泡的瞬态特征；我们可以通过中心黑洞的位置变化来推断大质量黑洞周围更小的看不见的小黑洞；随着我们对黑洞了解的越来越多，我们可以知道引力和X射线这两种计算黑洞质量的方法是否适用于所有的宇宙物质。我们还可以知道吸积盘是否与宿主星系有固定的相对位置。

图示:吸积盘的方向不同，会让我们观测到的黑洞图像完全不同。上图左边两张是黑洞的前方，右边两张是黑洞的边缘。目前尚不清楚黑洞和吸积盘之间是固定排列还是随机排列。(‘走向事件视界——银河系中心的超大质量黑洞’，类。量子引力。法尔凯& amp马尔科夫(2013年))

基于目前的观测结果，我们无法解决这些问题，但这只是研究的开始！我们处在一个可以利用视界望远镜直接观测黑洞的时代。我们清楚地知道黑洞的存在，我们确信视界是真实的。我们知道爱因斯坦的引力理论(星系中心的超大质量物体是黑洞)得到了前所未有的证实，关于星系中心的巨人是否是黑洞的疑问得到了解答。

黑洞是真实存在的，而且非常巨大。由于地平线望远镜的惊人成就，我们看到了人类从未见过的宇宙光谱中的射电部分。

参考数据

1.维基百科全书

2.天文术语

3.漏云-英子-中

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