“甜甜圈”黑洞照片衝洗耗時2年 中國參與合作
2019年04月10日21:50

  原標題:你好,“甜甜圈”黑洞!我們是地球人!

  剛剛,人類曆史上第一張黑洞照片正式公之於眾。

  100多年前就曾被愛因斯坦預言的黑洞,終於揭開了神秘面紗。

  讓我們深吸一口氣,領略它的震撼!

  黑洞真容問世

  北京時間4月10日晚,全世界200多位科學家合作完成的一項重大天文學成果——人類首張黑洞照片,在全球多地同步發佈。

  人類有史以來獲得的第一張黑洞照片真容:

  宇宙中最神秘的天體、時空中的無底深淵,即使是光都無法逃逸……

  長久以來,黑洞只不過是廣義相對論的預言、愛因斯坦的方程、模擬電腦圖像、引力波等項目的間接證據,或者科幻小說的想像。

  今天,它卻真實、完整地呈現在了我們的眼前,科學家將之稱為“曆史性宣佈”。

資料圖:2011年8月,天文學家首次抓拍到黑洞吞噬恒星的過程,這被認為是目前宇宙最神秘、最震撼的情景。
資料圖:2011年8月,天文學家首次抓拍到黑洞吞噬恒星的過程,這被認為是目前宇宙最神秘、最震撼的情景。

  距地球5500萬光年質量65億倍太陽

  全世界200多位科學家合作完成的一項重大天文學成果——人類首張黑洞照片,北京時間4月10日晚在全球多地同步發佈。事件視界望遠鏡(EHT)宣佈,已成功獲得超大黑洞的第一個直接視覺證據,該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞,它距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。

  當晚9時,人類首張黑洞照片上海發佈會在中國科學院上海天文台舉行。天文學家介紹說,EHT是一個通過國際合作而實現的、由8個地面射電望遠鏡組成的觀測陣列,旨在通過形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡來捕捉黑洞的圖像,其所達到的靈敏度和分辨本領都前所未有。百年之前,愛因斯坦提出的廣義相對論得到了首次試驗驗證。如今,作為多年國際合作的成果,EHT為科學家們提供了研究宇宙中最極端天體的新手段。

  黑洞是一種被極度壓縮的宇宙天體,在一個很小的區域內包含著令人難以置信的質量。這種天體的存在以極端的方式影響著周圍的環境,讓時空彎曲,並將周圍的氣體吸進來。在此過程中,氣體的引力能轉化成熱能,因此氣體溫度變得很高,會發出強烈輻射。“如此一來,黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內,我們預期黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區域。這正是愛因斯坦廣義相對論所預言的,可我們以前從未見過。”EHT科學委員會主席、來自荷蘭奈梅亨大學的海諾·法爾克(Heino Falcke)解釋稱,“這個暗影的形成,源於光線的引力彎曲和黑洞視界對光子的捕獲。暗影揭示了黑洞這類迷人天體的很多本質,也使得我們能夠測量M87中心黑洞的巨大質量。”

  照片衝洗耗時2年 中國參與合作

  EHT建設和最新獲得人類首張黑洞照片的成果源於數十年觀測、技術和理論工作的堅持與積累,也是全球團隊合作的典範,由中科院國家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立的中科院天文大科學中心是EHT一個合作機構的成員,並由中科院上海天文台牽頭組織協調參與此次EHT項目合作,積極參加全球對遙遠M87星系中心超大黑洞的顛覆性觀測。

  中科院上海天文台台長沈誌強研究員表示,“對M87中心黑洞的順利成像絕不是EHT國際合作的終點站,我們期望也相信在不久的將來EHT會有更多令人興奮的結果”。

  18世紀,英國地理學家約翰·米歇爾便已經意識到:宇宙中有緻密的天體,可以達到滴“光”不漏的程度——密度大到連光都完全無法逃逸。

  1968年,美國天體物理學家約翰·惠勒正式提出,將這樣的天體稱作“黑洞”。

  多年來,天文學家也只是基於物理學定律和基本假設,用計算機模擬黑洞的真容。

  1978年,盧米涅給出了黑洞事件視界的第一幅圖像。但這不是一張真正的照片,而是他利用自己的數學知識和相關技術以及60年代的一台IBM 7040穿孔卡片計算機對黑洞景象進行的電腦模擬。

資料圖:2015年8月27日,NASA發佈馬卡良231星系的近照,馬卡良231是擁有雙重巨型黑洞的近地球星系,距離地球6億光年。
資料圖:2015年8月27日,NASA發佈馬卡良231星系的近照,馬卡良231是擁有雙重巨型黑洞的近地球星系,距離地球6億光年。

  事實上,要想觀測遙遠的黑洞,依靠目前地球上任何單個望遠鏡遠遠不夠。

  2017年4月,事件視界望遠鏡項目(EventHorizon Telescope,簡稱EHT)啟動。

  EHT通過“甚長基線干涉技術”(VLBI) 和全球多個射電天文台的協作,構建一個口徑等同於地球直徑的“虛擬”望遠鏡——事件視界望遠鏡。

  2017年4月份參加EHT觀測的8個台站,實線連接的為觀測M87的7個台站,虛線連接的為觀測一個校準源(3C279)的台站。圖片來源:“First M87 Event Horizon Telescope Results I: The Shadow of the Supermassive Black Hole”。

  EHT的“八隻眼睛”位於美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極。

  當8個射電望遠鏡(陣)組成“地球級別”的虛擬望遠鏡陣列,同一時刻、同一方向,對準同一片遙遠星空,黑洞——這個深藏於宇宙各處的引力陷阱,也會“發出耀眼光芒”。

  據介紹,EHT建設和最新獲得人類首張黑洞照片的成果源於數十年觀測、技術和理論工作的堅持與積累,也是全球團隊合作的典範。

  僅黑洞照片的“衝洗”就用了約兩年時間。

  值得一提的是,由中科院國家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立的中科院天文大科學中心是EHT一個合作機構的成員,並由中科院上海天文台牽頭組織協調參與此次EHT項目合作,積極參加全球對遙遠M87星系中心超大黑洞的顛覆性觀測。

  資料圖:2010年11月,美國宇航局揭開了一則吊足媒體胃口的“秘密”——該局發現的“異常物體”不是此前盛傳的UFO(不明飛行物或稱飛碟),也不是外星人,而是地球附近一個年僅30歲的黑洞,這也是人類科學史上發現的最年輕的黑洞。

  照片背後的這些知識

  ——黑洞是什麼?

  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範圍,該勢力範圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界(event horizon)。

  宇宙中,天文學家們根據質量將宇宙中的黑洞分成三類:恒星級質量黑洞(幾十倍至上百倍太陽質量)、超大質量黑洞(幾百萬倍太陽質量以上)和中等質量黑洞(介於前兩者之間)。

  ——真的有黑洞嗎?

  黑洞的名字,乍一聽,黑的洞,那是不是表明沒法看見;如果沒法看見,那怎麼就知道它存在呢?

  在這次拍照前,天文學家們是通過各種間接的證據來表明黑洞的存在,主要有三類代表性證據。

  第一,恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力,對周圍的恒星、氣體會產生影響,於是我們可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。

  第二,根據黑洞吸積物質(類似於“吃東西”)發出的光來判斷黑洞的存在。

  第三,通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。

  還有很多類似的證據,無不說明了黑洞真實存在。

  但這些還是間接的證據,人類還想直接“看”到黑洞,於是,通過全球科學家的廣泛合作和持續努力,終於直接拍到首張黑洞照片。

資料圖:美國宇航局2012年2月21日宣佈,天文學家用錢德拉X射線太空望遠鏡觀測到源自恒星質量黑洞和迄今移動速度最快的宇宙風,這對理解此類黑洞的運行具有重要意義。
資料圖:美國宇航局2012年2月21日宣佈,天文學家用錢德拉X射線太空望遠鏡觀測到源自恒星質量黑洞和迄今移動速度最快的宇宙風,這對理解此類黑洞的運行具有重要意義。

  ——為什麼要研究黑洞?

  黑洞就在宇宙中,黑洞自身有一堆讓人著迷的秘密,等著人類去研究。

  在人類居住的銀河系中中心就有一個超大質量黑洞,它的質量大約400多萬倍太陽質量。

  這顆超大質量黑洞會影響人類的生活嗎?銀河系中除了這個超大質量黑洞外,還有很多恒星級黑洞,它們和人類有關係嗎?黑洞和它所在的星系之間究竟有什麼關係?

  這些都是天文學家非常關心的領域。

圖片來源:路如森/中科院上海天文台
圖片來源:路如森/中科院上海天文台

  其中一種理論模型預言的銀心的黑洞陰影以及周圍環繞的新月狀光環。

  ——為什麼要給黑洞拍照?

  對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺”證據。

  黑洞具有強引力,因此給黑洞拍照,最重要的目的是在強引力場的極端環境下驗證愛因斯坦的廣義相對論,並同時細緻研究黑洞周圍的物質吸積和噴流的形成及傳播。

  ——什麼樣的黑洞適合拍照?

  黑洞陰影和周圍環繞的新月般光環非常非常小,在拍照設備能力有限的情況下,要想拍攝到黑洞的照片,毫無疑問要找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為對象。

  由於黑洞事件視界的大小與其質量成正比,這也就意味著質量越大,其事件視界越大,因此近鄰的超大質量黑洞是完美的黑洞成像候選體。

  位於人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A* 和近鄰射電星系M87的中心黑洞M87* 是兩個目前已知最優的候選體。

資料圖:2017年12月7日消息,美國卡耐基科學研究所科學家發現有史以來最遙遠的超大質量黑洞,該黑洞質量是太陽質量的8億倍。
資料圖:2017年12月7日消息,美國卡耐基科學研究所科學家發現有史以來最遙遠的超大質量黑洞,該黑洞質量是太陽質量的8億倍。

  ——什麼樣的望遠鏡可以對黑洞成像?

  要對黑洞成像,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。

  滿足這些條件,最好的工具莫過於1967年出現的甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技術(值得一提的是,該VLBI技術也成功應用於中國嫦娥探月工程的探測器的測定位)。

  假定在1毫米波長觀測,一個長度為1萬千米的基線能獲得約21微角秒的分辨本領。

  不過,大家可千萬別以為,只要VLBI陣列的解像度足夠高,就一定能成功給黑洞拍照。因為,情況沒那麼簡單。

  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VLBI觀測至關重要。觀測黑洞視界的最佳波段在1毫米附近。

資料圖:2011年,一個國際研究小組利用歐洲南方天文台的“甚大望遠鏡”,發現一個星雲正在靠近位於銀河系中央的黑洞並將被其吞噬,人們有望觀察到黑洞“吃大餐”的場景。圖為黑洞“捕捉”星雲(軌道呈紅色)的模擬圖。
資料圖:2011年,一個國際研究小組利用歐洲南方天文台的“甚大望遠鏡”,發現一個星雲正在靠近位於銀河系中央的黑洞並將被其吞噬,人們有望觀察到黑洞“吃大餐”的場景。圖為黑洞“捕捉”星雲(軌道呈紅色)的模擬圖。

  ——給黑洞拍照,難在哪裡?

  一是要選擇合適的拍照對象——近鄰的超大質量黑洞是完美的黑洞成像候選體。

  二是要共同合作組成一個超級大望遠鏡——視界望遠鏡(EHT)。

  三是必須在合適的觀測波段——毫米波。

  四是面對VLBI所記錄的龐大數據量,進行複雜的數據後期處理和分析,獲取最終的黑洞圖像。

  據介紹,2017年4月份的EHT觀測中每個台站的數據率達到驚人的32Gbit/s,8個台站在5天觀測期間共記錄約3500TB數據。

  天文學家打比方說,這麼多數據如果是電影的話,至少要幾百年才能看完。

  浩瀚宇宙中還有哪些謎團將解開?

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