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恐怖黑洞被“抓个正着”:第一张“胖”黑洞照发布

第一财经2019-04-10 21:23:39

简介:人马座A*黑洞并非人们能观测到的最大质量的黑洞,但是它位于银河系中心,距离地球最近,被看作研究黑洞物理的最佳对象。而M87星系黑洞则以“胖”著称

一直以来黑洞这个被称为“宇宙中最恐怖的东西”激发了无数天文和物理学界的科学家为之探索。人类好奇黑洞的模样。从引力波探测到双黑洞并合开始,黑洞已经从假说变为现实。

4月10日,伴随着人类史上第一张黑洞照片的发布,宇宙中最神秘的面纱被揭开了。

就中国科学家在此次黑洞观测项目中的作用,上海发布会现场的新闻发言人回答第一财经记者表示,中国科学家以1.3毫米的射电望远镜,对事件视界望远镜(EHT)的联网观测做出了贡献,另外在数据分析上也有关键性的贡献。

这是人类史上首张黑洞照片。新华社发(事件视界望远镜项目组 供图)

直接证据

此次发布的黑洞照片为M87星系中心黑洞。这张照片的意义就在于,对黑洞阴影成像能够提供黑洞存在的直接“视觉”证据。

在中国科学院上海天文台,事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)项目和中国科学院发布了来自于EHT的最新重大成果。此次新闻发布会在全球六地同时进行,分别是比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿。 

给黑洞“拍照”为什么这么难?什么样的黑洞适合“拍照”? “相机”在哪些方面取得了突破?带着这些问题,10日晚,第一财经记者走进了中国科学院上海天文台。

科学家在目前发现的大量黑洞候选体中,“相中”了人马座A*黑洞和M87星系中心黑洞进行“拍照”。

至于为什么没有人马座A*黑洞的照片?新闻发言人表示,人马座A*的变化速度太快,不容易成像,所以把精力只放在了M87。

对此,中国科学院国家天文台研究员苟利军此前接受媒体采访时解释道:“这两个黑洞的视大小是我们所发现的黑洞中最大的两个。”所谓“视大小”,是指人类从地球上观测天体时,直接看到的天体大小,这取决于天体本身的直径以及它与地球的距离。尽管人马座A*黑洞并非人们能观测到的最大质量的黑洞,但是它位于银河系中心,距离地球最近,被看作研究黑洞物理的最佳对象。而M87星系黑洞则以“胖”著称,其质量估计可达几十亿倍太阳质量。

中科大天文系教授蔡一夫对第一财经记者表示:“如此国际化的统一观测,加上中国的深度参与是很少见的。尽管长短基线技术已早有应用,但此次获得的黑洞照片的分辨率应该是最高的,一方面是参与观测的望远镜数量多,另一方面干涉图像的处理技术也大幅提升了。”

蔡一夫表示,这次科学上可能看到的黑洞视界附近更为精细的引力透镜现象,将是对引力物理的检验和验证的一次巨大成功。

“拍照”5天“冲洗”两年

令人惊讶的是,2017年4月份的EHT观测中,每个台站的数据率达到惊人的32G/秒,8个台站在5天的观测期间共记录了3500TB的数据——换言之,如果换成同等数据的高清电影,不间断播放至少要几百年才能看完。

所以这也不难解释,为什么从2017年4月至今,科学家们付出诸多努力打造出这台“巨无霸相机”,并且花费了整整两年时间来“冲洗”照片。

第一财经记者了解到,观测数据于2017年4月完成收集,并在当年年底送到马克斯·普朗克射电天文研究所和美国麻省理工学院分析。

2018年6月至11月,各地科学家基于这些数据进行图像构建工作。期间,各地望远镜的数据都存在硬盘里快递到美国进行数据处理。为了处理这些海量数据,麻省理工学院等机构的科学家开发了新算法,以加快数据分析。

此外,这类观测的数据处理并非只用一套现成的方法。多台望远镜之间的钟差、望远镜自身状态随时间的微小改变等问题都会影响观测精度。另一方面,“拍照”对象黑洞本身也在不断变化,科学家需要探索新方法对“相机”进行校准,建立模型,以提升合成图像的质量和精度。数据处理过程中需要根据处理结果不断调整运算方法进行改进,加之数据量巨大,因此用时很长。

第一张黑洞照片的诞生让天文学家将从此对黑洞有更进一步的认识,同时可以使用这个工具对其他黑洞进行测量、观测、理解,扩大对人类所生存的宇宙的认知。

“如果地球是平的,那使用这一技术可以从波恩看清纽约街头报纸上的字。”德国马克斯·普朗克射电天文研究所所长安东·岑苏斯对黑洞拍摄背后的成像技术做出了最为生动的描述。

岑苏斯作为项目协作委员会主席及照片数据分析机构的负责人主持比利时布鲁塞尔的新闻发布会。

“我们未来会扩大阵列望远镜的数量规模,提高灵敏度和分辨率,继续观测两个黑洞在不同阶段的变化,甚至对新的黑洞进行观察,拍摄新的、质量更好的照片。”岑苏斯说道。

上海天文台。官网图

观测两大黑洞

由于黑洞的体积很小,而且离地球的距离非常遥远,受限于单个望远镜的分辨率,黑洞无法被直接看到。尽管如此,黑洞的存在却早被人类预见。

早在十八世纪,数学家拉普拉斯等人基于经典的牛顿万有引力,提出了“暗星”的存在,这可以算是黑洞概念的雏形。

爱因斯坦的广义相对论预言,由于黑洞的存在,我们将会看到中心区域存在一个因为黑洞视界而形成的阴影,其周围环境一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环,这为黑洞“拍照”提供了可能性。

由于黑洞具有强引力,因此给黑洞拍照,最重要的目的是能够在强引力场的极端环境下验证爱因斯坦的广义相对论,并细致研究黑洞周围的物质吸积和喷流的形成及传播。

“以前关于黑洞的证据并不直接,此次‘拍照’能获得最为直接的证据,确认之前的间接观测和推测是否正确,也为今后的研究和观测提供一种检验方式。”苟利军指出。

本次“拍照”还可为一些基础物理研究提供数据或解释天文现象成因,如喷流的形成。科学家们希望能够解释黑洞自旋是否为喷流提供了能量源。而通过观察黑洞视界面的大小和形状,或许能够首次在超大质量黑洞周围的极端空间验证爱因斯坦引力理论。甚至,有人希望此次“拍照”能找到不同于黑洞的未知物体,用来解释物质因为自重塌缩时可能发生的情景。

责编:宁佳彦

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