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深度解讀!人類歷史首張黑洞照片這樣誕生

2019-04-11

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大量天文觀測數據已證實,在浩瀚的宇宙當中,有無數的黑洞神秘地藏身于各星系中。

但人類卻從未直接“看”到過黑洞,并不知道它的真實模樣。

為了能一睹黑洞真容,2017年4月5日到14日之間,來自全球30多個研究所的科學家們啟動了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃。他們將分布于全球不同地區的8個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網絡,希望利用其捕獲黑洞影像。

最終,科學家們成功拍攝到了黑洞的第一幅“照片”。

北京時間2019年4月10日21時,這張照片在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京六地同時發布。傳說中的黑洞終于揭開神秘面紗。

人類有史以來的第一張黑洞照片是如何拍攝的,記者為您揭秘整個過程。

認識黑洞

理論上,黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體。它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍,該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。

那么,黑洞是怎么形成的?

像宇宙萬物一樣,恒星也會衰老死亡。一些大質量恒星在核聚變反應燃料耗盡時,內核會急劇塌縮,所有物質快速的向著一個點坍縮,最終坍縮成一顆黃豆大小的奇點,并形成一個強大的力場漩渦,扭曲周圍時空,成為黑洞。

宇宙中,根據質量天文學家們將宇宙中的黑洞分成三類:恒星級質量黑洞(幾十倍—上百倍太陽質量)、超大質量黑洞(幾百萬倍太陽質量以上)和中等質量黑洞(介于兩者之間)。

根據理論推算,銀河系中應該存在著上千萬個恒星量級的黑洞。然而,因為黑洞自身不發射和反射電磁波,儀器和肉眼都無法直接觀測到它。

既然無法“看見”,那怎么就知道它存在呢?天文學家們主要是通過各種間接的證據。

中國科學院上海天文臺研究員沈志強:“主要有三類代表性證據。一是恒星、氣體的運動透漏了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力,對周圍的恒星、氣體會產生影響,于是我們可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。二是根據黑洞吸積物質,也就是吃東西時發出的光來判斷黑洞的存在。第三則是通過看到黑洞成長的過程‘看’見黑洞。”

到目前為止,通過間接的觀測,科學家們在銀河系發現和確認了20多個恒星級質量黑洞,但可能有上千萬個恒星級黑洞候選體。

沈志強說:“宇宙每個星系中心都有一個超大質量的黑洞。我們居住的銀河系中心就有一顆,它的質量大約是太陽質量的400多萬倍。除此之外,銀河系還有很多恒星級黑洞。”

這些神秘的黑洞和宇宙的誕生和演化有何關系?它和所在的星系之間又有什么關系?它又和我們人類有什么關系,會不會對我們的生活產生影響?……

為了更準確清晰地解答這些問題,科學家們想直接“看”到黑洞。

(視頻來源:中科院上海天文臺)

準備“相機”

廣義相對論預言,雖然黑洞本身不發光,但因為黑洞的存在,周圍時空彎曲,氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中,引力能轉化為光和熱,因此氣體被加熱至數十億度。黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內,事件視界看起來就像陰影,陰影周圍環繞著一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環。

愛因斯坦的廣義相對論已預測過這個“陰影”的存在,以及它的大小和形狀。

科學家們期望這次能直接捕獲到這個黑洞“陰影”的圖像。

中國科學院上海天文臺研究員路如森說:“對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接‘視覺’證據。”

路如森說:“這就必須要保證望遠鏡足夠靈敏,能分辨的細節足夠小,從而能保證看得到和看得清。”

但滿足上述所有條件,望遠鏡的口徑需要像地球大小。

然而,目前地球上已有的單個望遠鏡最大口徑也只有500米。

那該怎么辦?

聰明的天文學家們想到了一個好辦法——搞強強聯合。

把地球上現有的一些望遠鏡“組合”起來,就能夠形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡,其所達到的靈敏度和分辨本領都是前所未有的。

于是,全球超過200名科學家達成了“事件視界望遠鏡”(EHT)這一重大國際合作計劃,決定利用甚長基線干涉測量技術。

沈志強說:“就是利用多個位于不同地方的望遠鏡在同一時間進行聯合觀測,最后將數據進行相關性分析之后合并,這一技術在射電波段已相當成熟。”

最終,科學家們選定了來自全球多地的包括南極望遠鏡等8個亞毫米射電望遠鏡。

路如森說:“它們多數都是單一望遠鏡,比如夏威夷的JCMT和南極望遠鏡。也有望遠鏡陣列,比如ALMA望遠鏡是由70多個小望遠鏡構成。”

選定目標

在組建大型虛擬望遠鏡的同時,科學家們也在尋找著合適的拍攝目標。

黑洞剪影和周圍環繞的新月般光環是非常非常小的。在拍照設備能力有限的情況下,要想拍攝到黑洞照片,必須找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為目標。

科學家們甄選了一圈之后,決定將近鄰的兩個黑洞作為主要目標:一個是位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*,另一個則是位于射電星系M87的中心黑洞M87*。

沈志強說:“由于黑洞事件視界的大小與其質量成正比,這也意味著質量越大,其事件視界越大。我們選定的這兩個黑洞質量都超級大,它們的事件視界在地球上看起來也是最大的,可以說是目前最優的成像候選體。”

盡管如此被選擇的兩個黑洞已是最優成像候選體,但要清晰為它拍照,難度還是極其大。

Sgr A*黑洞的質量大約相當于400萬個太陽,所對應的視界面尺寸約為2400萬公里,相當于17個太陽的大小。然而,地球與Sgr A*相距2萬5千光年(約24億億公里)之遙。

沈志強說:“這就意味著,它巨大的視界面在我們看來,大概只有針尖那么小,就像我們站在地球上去觀看一枚放在月球表面的橙子。”

M87中心黑洞的質量更為巨大,達到了60億個太陽質量。

盡管M87中心黑洞與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠,但因質量龐大,所以它的事件視界對科學家們而言,可能跟Sgr A*大小差不多,甚至還要稍微大那么一點兒。

調試相機

要想看清楚兩個黑洞事件視界的細節,事件視界望遠鏡的空間分辨率要達到足夠高才行。

要多高呢?

路如森說:“比哈勃望遠鏡的分辨率高出1000倍以上。”

但也別以為,只要虛擬望遠鏡陣列的分辨率足夠高,就一定能成功給黑洞拍照。

實際情況并沒那么簡單!如同觀看電視節目必須選對頻道一樣,對黑洞成像而言,能夠在合適的波段進行觀測至關重要。

此前的一系列研究表明,觀測黑洞事件視界“陰影”的最佳波段是約為1毫米。

路如森說:“因為氣體在這個波段的輻射最明亮,而且射電波也可以不被阻擋地從銀河系中心傳播到地球。”

在這種情況下,望遠鏡的分辨率取決于望遠鏡之間的距離,而非單個望遠鏡口徑的大小。

為了增加空間分辨率,以看清更為細小的區域,科學家們在此次進行觀測的望遠鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠鏡。

沈志強說:“這樣設置是為了要保證所有8個望遠鏡都能看到這兩個黑洞,從而達到最高的靈敏度和最大的空間分辨率。”

正式拍攝

8個望遠鏡北至西班牙,南至南極,它們將向選定的目標撒出一條大網,撈回海量數據,為我們勾勒出黑洞的模樣。

留給科學家們的觀測窗口期非常短暫,每年只有大約10天時間。對于2017年來說,是在4月5日到4月14日之間。

除了觀測時間上的限制,拍攝對天氣條件要求也極為苛刻。

“因為大氣中的水對這一觀測波段的影響極大,水會影響射電波的強度,這意味著降水會干擾觀測。” 沈臺說,“要想視界面望遠鏡順利觀測,需要所有望遠鏡所在地的天氣情況都非常好。”

按照要求,計劃選擇的8個望遠鏡所在之處均是位于海拔較高,降雨量極少,全部晴天的概率非常高。

此外,要成像成功還必須要求所有望遠鏡在時間上完全同步。

北京時間2017年4月4日,事件視界望遠鏡啟動拍攝,將視線投向了宇宙。最后的觀測結束于美國東部時間4月11日。

觀測期間,每一個射電望遠鏡都收集并記錄來自于目標黑洞附近的射電波信號,這些數據然后被集成用于獲得事件視界的圖像。

沈志強說:“為了確保信號的穩定性,事件視面望遠鏡利用原子鐘來確保望遠鏡收集并記錄信號在時間上同步。”

沖洗照片

給黑洞拍張照片不容易,“洗照片”更是耗時漫長。

射電望遠鏡不能直接“看到”黑洞,但它們將收集大量關于黑洞的數據信息,用數據向科學家們描述出黑洞的樣子。

在觀測結束之后,各個站點收集的數據將被匯集到兩個數據中心(分別位于美國麻省Haystack天文臺和德國波恩的馬普射電所)。在那里,超級計算機通過回放硬盤記錄的數據,在補償無線電波抵達不同望遠鏡的時間差后將所有數據集成并進行校準分析,從而產生一個關于黑洞高分辨率影像。

此后,經過長達兩年的“沖洗”,2019年4月10日,人類歷史上首張黑洞照片終于問世。

(來源:人民日報客戶端)




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