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刚刚,EHT发布了人类第一张真实黑洞图像

本文作者:camel 2019-04-10 21:25
导语:来自M87星系首张真实黑洞图像,人类认识黑洞一百年来首次目睹黑洞的真容。

刚刚,EHT发布了人类第一张真实黑洞图像

来自M87星系首张真实黑洞图像,人类认识黑洞一百年来首次目睹黑洞的真容。

雷锋网(公众号:雷锋网)按:在看了无数张计算机模拟或者手工绘制的黑洞图像后,我们,人类终于看到了首张真实黑洞的特写。

北京时间4月10日21点整,由全球30多个研究单位组成的事件视界望远镜(EHT)团队在上海、台北、东京、布鲁塞尔、圣地亚哥和华盛顿六地以汉语、日语、西班牙语和英语同步进行新闻发布会,宣布了人类首张黑洞照片及相关研究成果。这是人类认识黑洞一百年来首次目睹黑洞的真容。

黑洞,简单来讲,就是一个质量非常大的天体,它所产生的引力之强大即使连光子都不能逃出来;所有的物质(包括光子)只要进入到一定距离范围内将永远也逃不出来,恰如在宇宙空间中一个黑咕隆咚的洞。我们称这个连光子都无法逃出的边界为“事件视界”。

由于连光都无法逃逸,我们也就无法直接观测到黑洞。但道路千万条,我们可以通过间接的方式。比如说,当一颗恒星离黑洞比较近时,恒星的物质就会被吸向黑洞,在黑洞周围形成一个高速运动的吸积气盘,盘中气体剧烈摩擦发热,从而发出X射线。借由对这类X射线的观测,天文学家便可以间接地发现黑洞了。 

刚刚,EHT发布了人类第一张真实黑洞图像

吸积盘图

当然,黑洞的观测并不是这么容易。有人估计过去100亿年中银河系平均每100年有一颗超新星爆炸,而每100个中有1颗将导致黑洞形成,按照这种算法那么银河系应该有100万个恒星级黑洞。但截至目前为止天文学家能够确认的只有20多个。其中较为著名的包括银河系中心的人马座A*(也是这次事件的主角之一)、天鹅座X-1、SN1979C等。

刚刚,EHT发布了人类第一张真实黑洞图像

人马座A*(中央)与两个光回波 

人马座,也即我们所熟知的“射手座”。银河系的银心正是在人马座A的方向。人马座A*(简写为Sgr A*)是位于银河系银心一个非常光亮及致密的无线电波源,大约每11分钟旋转一圈,属于人马座A的一部分。天文学家花费了很大的力气最终证实人马座A*是一颗特大质量黑洞,其直径4400万公里(是太阳的17倍),质量大概是400万个太阳质量。听起来似乎很大,但要知道它离我们有25000光年之远,从地球望去几乎相当于去看月球上的一颗橙子。

尽管如此,它已经是我们已知黑洞中离我们最近的一个了,因此也成为研究黑洞的最佳选项。 

刚刚,EHT发布了人类第一张真实黑洞图像

M87星系是巨大的椭圆星系,其中心是一个巨大黑洞。蓝色部分是M87星系正以近乎光的速度向外界抛射物质喷流,且长度达5000光年

我们的另一个主角M87星系黑洞,是位于M87星系(在室女座,也即我们通常所说的“处女座”)的一个巨大黑洞,其质量大概是30~60亿个太阳质量(具体数据各家论述不同)。在同类天体中,已知它是其中质量最大之一。它与我们太阳系的距离约5000万光年。研究人员认为这个黑洞很有可能是在过去某段时间里由几百个小黑洞融合而成。相比而言,银河系中心的Sgr A*简直就太小了。

之所以选定这两个黑洞作为观测目标,显然主要是因为它们的大小和距离。其他黑洞因为距离地球太远或者质量较小,观测难度较大。


事件视界望远镜观测计划


在2015年,人类首次通过 LIGO  “听到”两个黑洞相互绕转合并所产生的引力波,但是一些科学家觉得若不能亲眼目睹黑洞真容终归是一个遗憾。然后想要观测黑洞,依靠目前任何单个望远镜都是不可能做到的,因为口径较小,空间分辨率不够。若想满足足够的分辨率,必须要有超大口径的望远镜才行,如果能有一个地球这么大口径的望远镜当然是好的,但显然不切实际。

一种解决方式就是,将分布于全球的多个望远镜结合起来,同时去观测同一个天体,然后将数据融合在一起,在效果上将等同于一台地球大小口径的望远镜了。于是便有了利用分布于全球不同地区的8个设点望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,这个虚拟望远镜网络被称为“事件视界望远镜”(EventHorizon Telescope, EHT)。 

刚刚,EHT发布了人类第一张真实黑洞图像

EHT 

这8个望远镜分布于全球各地,包括:

  • 南极望远镜(South Pole Telescope);

  • 位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large MillimeterArray,ALMA);

  • 位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜(Atacama PathfinderExperiment);

  • 墨西哥的大型毫米波望远镜(Large Millimeter Telescope);

  • 位于美国亚利桑那州的(Submillimeter Telescope);

  • 位于夏威夷的麦克斯韦望远镜(James Clerk MaxwellTelescope,JCMT);

  • 位于夏威夷的亚毫米波望远镜(Submillimeter Array);

  • 位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜。

这八个有单一的望远镜,如南极望远镜和夏威夷的麦克斯韦望远镜;也有望远镜阵列,例如ALMA望远镜是由70多个小望远镜构成。

刚刚,EHT发布了人类第一张真实黑洞图像麦克斯韦望远镜

刚刚,EHT发布了人类第一张真实黑洞图像阿塔卡马大型毫米波阵

在使用EHT进行观测之前,天文学家们利用多个地方的望远镜对Sgr A* 和M87黑洞进行了实验性质的联合观测,结果尽管没能看清黑洞的视界面,但也探测到了黑洞中心区域的辐射,这不由得让天文学家们兴奋不已。 

随后,在2017年4月5日至14日,来自全球30多个研究所的科学家们在8个地方同时进行了正式的观测。这10天是非常宝贵的,因为一方面每台望远镜的观测时间排班表往往都是满满各种各样的观测计划,另一方面观测必须在所有望远镜所在地天气晴朗的条件下进行。对于2017年来讲,留给EHT团队的人只有10天的观测窗口。

事实上,本次观测只进行了4-5天,其中两个晚上用来观测银河系中心黑洞Sgr A*,剩下的时间用来观测星系M87黑洞。

然而拍照容易,“洗照片”却很难。8个地方的射电望远镜,平均来讲每台每秒产生8GB的数据,一晚上差不多有1PB(1PB=1000000GB),对于这样的数据现有的互联网传输速度根本跟不上,因此科学家们必须先把数据存到硬盘,然后再空运到美国Haystack天文台和德国马普射电所。

刚刚,EHT发布了人类第一张真实黑洞图像

第一排:根据相对论计算的黑洞仿真模型;第二排:根据仿真模型计算出的预期 EHT 观测成像

在这两个研究单位,有数十名数据处理专家仔细地校准数据。然后他们分成四个小组,分别对数据进行校验、生成图像。当然,过程中会生成大量相关的图像,他们必须从中找出最匹配数据的那张;另一方面各个小组之间生成的图像还需要交叉检验,这就像侦探破案一般。这一过程,花了将近两年的时间。

这个项目前前后后经过了几年的准备、观测和对数据处理渲染,最终于今天发布了 M87 星系黑洞的图像。尽管我们看到的图像仍稍显模糊,但我们人类终究看到了真实黑洞的样子,而不再停留在想象当中。


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