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真实的黑洞长这样,解密史上首张黑洞照片拍摄过程

来源:新京报

发布时间:2019-04-11 09:05

4月10日21时,全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)同时召开新闻发布会,宣布人类首次利用一个口径如地球大小的虚拟射电望远镜,在近邻超巨椭圆星系M87的中心成功捕获世界上首张黑洞图像。

这张图像的意义非同一般,它提供了黑洞存在的直接“视觉”证据,使得在强引力场下验证爱因斯坦广义相对论,细致研究黑洞附近的物质吸积与相对论性喷流成为可能。

据介绍,此次发布的黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞,其距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。该图像的许多特征与爱因斯坦广义相对论的预言完全一致,在强引力极端环境下进一步验证了广义相对论。通过研究这个图像,人类将揭示出黑洞这类天体更多本质。

1.神秘面纱背后的黑洞究竟长什么样子?

本次发布会的“主角”是室女座超巨椭圆星系M87中心的超大质量黑洞,其质量是太阳的65亿倍,距离地球大约5500万光年。

史上首张黑洞照片冲洗用约2年 中国也有参与者

此次全球六地发布的黑洞照片。

公布的照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构,看上去有点像个橙色的甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“阴影”,明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘。

史上首张黑洞照片冲洗用约2年 中国也有参与者

图片中即是M87星系中心超大质量黑洞(M87*)的图像,上方为2017年4月11日的图像,下方三个图为M87*在2017年4月5日、6日和10日的图像。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”,周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相对论性射束(beaming)效应所造成的。由这种上(北)下(南)的不对称性可以定出黑洞的自旋方向。

2.给黑洞成功拍照有多大的意义?

首先,对黑洞拍照使我们能够了解黑洞更多的细节特征,有助于天文学家理解喷流、吸积盘等结构的形成机理,北京师范大学物理学系副教授张宏宝介绍。

其次,此次拍摄的黑洞是一颗位于星系中央的大质量黑洞,被认为与整个星系的演化关系密切,观测得到的黑洞图像有望为我们揭示两者间的联系与作用机理。

此外,黑洞附近广义相对论效应非常明显,一百多年前,爱因斯坦提出广义相对论,将时间和空间结合为一个四维的时空,并提出引力可视为时空的扭曲。这一理论做出了不少重要预言,其中之一便是:当一个物体的质量不断塌缩,就能隐蔽在事件视界(event horizon) 之内——在这一黑洞的“势力范围”内,引力强大到连光都无法逃脱。

拍摄黑洞使我们有机会检验黑洞附近的真实情况是否符合广义相对论的理论预言,再次检验广义相对论。

3.什么样的黑洞适合拍照?

事实上,黑洞并不是孤立存在的,黑洞的中心是一个奇点,它的周围存在大量气体,据黑洞研究专家、国家天文台研究员苟利军教授介绍,由于黑洞的强大引力,气体会朝黑洞下落。而当这些气体被加热到数十亿度高温时,便会发出强烈的辐射。同时,黑洞也会以喷流和风的形式向外喷射物质和能量。

不过,虽说黑洞的阴影能被“看到”,但也不是所有黑洞都符合成像条件。由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比,这也意味着黑洞的质量越大,事件视界就越大,也越适合成像。因此,距离我们近的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体。

用这一虚拟望远镜“拍照”的两个目前已知最优的候选体,一个是银河系中心黑洞Sgr A* ,一个是近邻射电星系M87的中心黑洞M87*。

此前,距离地球2.6万光年的Sgr A*从未被直接看到过,但其附近的恒星会受到它的影响,因此科学家认为,它真实存在。

此外,由于人马座的Sgr A*被宇宙尘埃和气体包围,观测难度大大增加。天文学家集中了位于南极洲、美洲和欧洲的6个地方的8台望远镜,组成“事件视界望远镜”,共同发射能穿透黑洞周围密集星云的窄频无线电波,来“对焦”这个著名的黑暗之地。

为了增加探测灵敏度,“事件视界望远镜”(EHT)所记录的数据量非常庞大。2017年4月份的观测中,每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s,8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据(相当于350万部电影,至少要几百年才能看完!)。

EHT采用专用硬盘来记录数据,再把它们送回数据中心进行处理。在那里,研究人员用超级计算机矫正电磁波抵达不同望远镜的时间差,并把所有数据做互相关综合处理,从而达到信号相干的目的。

在此基础之上,通过对这些数据经过近两年时间的后期处理和分析,人类终于捕获了首张黑洞图像。

4.“事件视界望远镜”(EHT)项目是什么?中国也有参与者

2017年4月,“事件视界望远镜”启动对黑洞拍照,“冲洗”用了约两年时间。包括中国科学院上海天文台在内的一些国内机构参与了此次国际合作。

此外,我国科学家长期关注高分辨率黑洞成像研究,在EHT国际合作形成之前就已开展了多方面具有国际显示度的相关工作。在此次EHT合作中,中国科学家在早期共同推动了EHT的合作并参与了EHT望远镜观测时间的申请,同时协助JCMT望远镜开展观测并参与数据处理和结果理论分析等,为EHT黑洞成像做出了积极的贡献。

事件视界望远镜项目由13个合作机构组成,中国科学院天文大科学中心(CAMS) 是其中之一。CAMS由中国科学院国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立,其中上海天文台牵头组织协调国内学者参与了此次合作。

中国科学院上海天文台研究员、副台长、学术委员会主任袁峰曾介绍,直接观测到黑洞相当于是给弯曲的时空拍照,需要望远镜有很高的分辨率。如果采用毫米波望远镜观测,根据公式测算,它的口径需要达到“地球直径”一样的长度。如果用光学望远镜需要达到几公里的口径,红外望远镜需要达到10-100公里口径。而人类目前建造最大的望远镜是口径只有500米的射电望远镜,位于我国贵州。

要想“视线”触及远距离黑洞,并能穿透弥漫气体及高温气体,就需要有一个与地球体型相当的巨型望远镜才行,“事件视界望远镜”(EHT)完成的正是这个任务。

事件视界望远镜并不是一个传统观念的观测平台,而是由位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的天线组成观测阵列,根据加州大学伯克利分校天体物理学家贾森·德克斯特介绍:“这个观测计划是一个前所未有的实验,我们将获得更加清晰的黑洞周围图像信号。”

他表示,如果这一技术走向成熟,那么可在未来几年内提供令人惊讶的观测结果。“从地球上观测人马座A *,就如同我们观测月球上的一颗柚子,但是事件视界望远镜却可以胜任这一任务,它的分辨率可以观测月球上一个大小接近高尔夫球的物体。”


[编辑:孟佶垚]  
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