天文知识 | 天文史上的4月

摘自《天文爱好者杂志》

2024-04-12

天文史上的4月

5年前　2019年4月10日，事件视界望远镜（EHT）合作组织在全球六地（布鲁塞尔、圣地亚哥、上海、台北、东京和华盛顿）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，发布了人类历史上第一张黑洞照片。

2019年4月10日，事件视界望远镜（EHT）合作组织公布的首张黑洞照片。图源：EHT

对黑洞的研究有着悠久的历史。早在1783年，英国天文学家米歇尔（John Michell）就曾在有关双星系统的讨论中，提到是否有可能存在密度远大于太阳的一种天体，它本身不发光，或者发出的光根本无法到达我们这里。稍晚一些的时候，法国数学家拉普拉斯从数学上进行了推论，并暗示可能有“暗星”这种天体的存在。不过在当时，人们对光的认识尚且处于争论之中，“粒子论”还占据着主流，所以从现在的视角看来，当时的那些发现和进展，也许尚未处于合适的轨道之中。

1905年是著名的“奇迹之年”，爱因斯坦构建出了相对论大厦，在提出狭义相对论之后，经过不断完善，他在1915年正式提出了广义相对论。爱因斯坦引力场方程的描述，对更多人来说是难以理解的；不过后来的物理学家惠勒（John Wheeler）对其有着更简洁的概括：“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空怎样弯曲”；这让场方程看起来似乎是个无解的循环。不过似乎连爱因斯坦本人，当时也没有意识到，这已经为黑洞奠定了理论框架。一个月以后，在仍处于一战阴云笼罩下的欧洲战场，天文学家史瓦西（Karl Schwarzschild）首次给出了爱因斯坦场方程的一个解，并完整地描述了大质量天体周围的时空是如何扭曲的。他指出，对于非常致密的天体，光要逃离它的引力场会非常困难；当接近它时，时间也会减慢直至完全停止。

对黑洞特性的理解并不容易。毕竟我们距离黑洞太远，这些现象又过于特殊，我们很难直接想象这样的场景。考虑到这些特点，在早期，研究这些奇特天体的天文学家们甚至称之为“冰冻恒星”。不过，在史瓦西推导出黑洞这种极端天体之后，在20世纪的上半叶，大多数科学家们都认为，黑洞在现实宇宙中是绝对不可能存在的，这只是理论中的一个特殊情况罢了。更麻烦的事情在于，按照理论推导，连光都无法从黑洞中逃脱，那么确认黑洞的存在就变得极为困难。

卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild，1873-1916），他首次得到了场方程的一个精确解，所对应的天体即为黑洞。

图源：AIP Emilio Segrè Visual Archives

幸运的是，X射线天文学的兴起，让黑洞的探寻找到了突破点。在1964年的一次观测中，探空火箭搭载的X射线探测器，接收到了来自天鹅座的强烈辐射，后者被称为天鹅座X-1，然而与之相对应的，天文学家们并没有找到其他波段的光学或者射电源与之重合，这使得天鹅座X-1的物理身份成了谜团。后来，它的伴星被发现，伴星是一颗蓝超巨星；天文学家们确认了这个双星系统。通过对这个相互绕转系统的计算，科学家们确认，这是人类发现的第一个黑洞候选天体；它距离我们大约有7200光年，质量大约是21个太阳质量。对它的研究一直在持续，直到2021年，科学家们才最终确认这应该是一个恒星级黑洞。

1967年，惠勒首次用了“黑洞”一词，来表述这种相当极端的天体。有关黑洞的性质仍然存在不同的看法，不过我们现在已经基本了解到，黑洞是大质量恒星演化的产物。在大质量恒星演化晚期会发生超新星爆炸，其核心可能演化成中子星或黑洞。用我们最熟悉的一颗恒星，也就是太阳作为参照的话，那些剩余核心质量超过3个太阳质量的恒星，就有机会在其生命周期行将结束之际，坍缩成为黑洞。黑洞有着不同质量的分类，一般大质量恒星在自身演化过程中，会坍缩成中小质量的黑洞，它可能只有几个太阳质量，或者更大一些；而在星系的中央位置，存在着的巨型黑洞，其质量会达到数百万个太阳质量甚至更多，这可能是经过不断地吸聚物质、并合等过程后形成的。黑洞有着最为极端的密度，当把极大的质量压缩至一个足够小的空间时，就会对附近的空间和时间产生撕裂，附近的物质甚至是光线，都无法从中逃脱。

约翰·惠勒（John Archibald Wheeler, 1911-2008），他首次使用“黑洞”一词来描述这类极端天体。图源：Robert P./Matthews J. Hall/Phys. Dept., Princeton University

正因如此，与其他的天体相比，黑洞的直接观测和确认存在着较大困难；天鹅座X-1可能是第一个被发现的黑洞，而在它被发现后的数十年里，仅有几十个黑洞的候选体被确认。当然，宇宙中黑洞的数量按估计应该远不止如此；天文学家们也在根据它大质量的特点，以及对周围空间所产生的影响，来间接确认更多黑洞的存在。例如，黑洞通过对周围物质的吸入，在周围形成巨大的吸积盘，这个过程会向外辐射出不同波段的射线，也包括可见光。而超大质量黑洞的引力作用，会导致不远处的恒星以特定的轨迹在周围运行，天文学家们通过追踪银河系中心部位一些恒星的运行轨迹，确认了中心有着超大质量黑洞的存在。此外，通过引力波探测，也可以用来了解黑洞运动或是并合的相关信息；我们所熟知的引力透镜效应，也可以用来确认一些孤立的黑洞，等等。

2012年，多个国家的天文学家们共同提出了一个大胆的方案，用甚长基线干涉技术把横跨世界各地的多达8台射电望远镜联合起来，这可以理解成为人们搭建了口径堪比地球直径的一台超级射电望远镜，来对黑洞进行详细观测，这就是EHT计划。2019年4月10日，包括我国上海和台北在内，EHT组织在全球六个城市同时召开发布会，向公众发布了人类历史上首张黑洞的照片。照片的主角位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心部位，距离地球约5500万光年，质量是太阳的65亿倍，观测的时间是从2017年4月11日开始的，包括我国科学家在内的200多位各国科学家，对这些望远镜所累积的数据进行处理，在两年后最终得到了这张照片。

实际上这张照片所反映出的，仍然是黑洞的轮廓；周围的物质被吞噬进入黑洞之中，伴随着向外发射高能粒子流，形成一个明亮的发光气体壳层，中心部位的黑色剪影，就是我们所能看到的最接近黑洞本身的图像。

2017年EHT观测M87中心部位黑洞时所使用望远镜的位置示意，这些分布在各个不同位置的大装置，实现了几乎等同于地球直径口径的射电望远镜的观测效果。  图源：O. Furtak/ESO

在随后几年，科学家们又陆续发布了银河系中心部位超大质量黑洞的照片，以及对M87中心部位的黑洞拍摄了“全景照”，等等。在这一系列前沿研究过程中，来自我国的科学家团队，特别是上海天文台主导的科研团队，在其中贡献了不可或缺的突出作用。

对黑洞这种极端天体的探索还远未结束，获得黑洞的照片，也是对黑洞性质研究中的一个重要过程。除了对黑洞“拍照”之外，LIGO通过引力波探测黑洞并合现象，韦布望远镜、双子望远镜也先后找到了迄今为止最古老和最大质量的黑洞。这些都有助于人们逐渐挑开黑洞的神秘面纱，并进一步揭开宇宙演化的诸多谜题。

天文史上的4月

395年前

1629年4月14日，荷兰著名物理学家、天文学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629年04月14日－1695年07月08日）诞生。他精通于力学和光学，并且还首次发现了土卫六；

300年前

1724年4月22日，德国哲学家伊曼努尔·康德（Immanuel Kant，1724年4月22日－1804年2月12日）诞生，他是古典哲学创始人，被认为是继苏格拉底、柏拉图和亚里士多德后，西方最具影响力的思想家之一。康德还首次提出了“星云假说”；

280年前

1744年4月25日，瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius，1701年11月27日－1744年4月25日）逝世，他在1742年创立了摄氏温标，这也是我们现在使用最为广泛的一个温度计量单位；

170年前

1854年4月29日，法国数学家、物理学家庞加莱（Jules Henri Poincaré，1854年4月29日－1912年7月17日）诞生，他在数学、天体物理等多个领域做出了诸多基础性和开创性贡献，并首次提出了“限制性三体问题”；

120年前

1904年4月22日，美国理论物理学家罗伯特·奥本海默（Julius Oppenheimer，1904年4月22日－1967年2月18日）诞生，他首次预测了量子隧穿效应，在量子力学、量子场论、中子星和黑洞理论等方面都有着重要贡献；

65年前

1959年4月9日，美国国家航空航天局宣布，首批七名航天员确认将会参与“水星计划”，这是美国的首个载人航天计划；

45年前

1979年4月30日，天文学家戴文赛先生（1911年12月19日－1979年4月30日）逝世，他是我国天文事业的拓荒者之一，在恒星光谱、星系结构和太阳系的起源与演化等方面，都取得了卓越的成就；

40年前

1984年4月8日，我国使用长征三号运载火箭，成功发射了东方红2号（DFH-2）通信卫星。这是我国第一颗地球静止轨道通信卫星，可以完成24小时全天候通信连接任务。