|
黑暗若只如初見，光亮塌陷于邊緣。 ——我們?nèi)捉闵钜贡虐l(fā)的詩情 EHT的重大成果 人類歷史上首張黑洞照片公布了！  北京時間2019年4月10日21點，EHT（事件視界望遠(yuǎn)鏡，Event Horizon Telescope）項目舉行了成果發(fā)布會。會上公布了上面這張過去幾小時里刷屏朋友圈的黑洞照片。其成果以六篇通訊的形式發(fā)表在4月10日的《天體物理學(xué)雜志通訊》上。  EHT是一個聯(lián)合了全世界各個國家的項目，圖為昨日一些發(fā)布會的現(xiàn)場。 是不是覺得跟想象中的不太一樣？圖片如此模糊不是任何人為的失誤，而是EHT已經(jīng)盡全力的結(jié)果。 這張照片所拍攝的是M87星系中心的特大質(zhì)量黑洞。望遠(yuǎn)鏡無法拍攝到來自黑洞本身的光（因為黑洞不發(fā)光），只能拍攝到黑洞在照片上留下的“黑影”，而外面一圈明亮的環(huán)則是高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤。由于黑洞的自旋及與觀測者視線方向的不同，“黑影”的大小也不太一樣。我們看到的照片中，“黑影”的大小約為2.5倍史瓦西半徑（作者注：史瓦西半徑指沒有自旋的黑洞的事件視界半徑）。
EHT此次公布的發(fā)現(xiàn)讓人類在黑洞邊緣這樣引力極強(qiáng)的環(huán)境下驗證廣義相對論，是愛因斯坦的又一次勝利！  黑洞的結(jié)構(gòu) Credit: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann 誰是本次EHT拍攝模特  2012年，由LOFAR（射電天文低頻陣）拍攝的M87星系（左）。 右邊為作為比較的光學(xué)波段圖像。 Credit:Francesco de Gasperin / LOFAR collaboration EHT如何克服千難萬險拍到黑洞真容 要問什么最難拍，黑洞當(dāng)仁不讓。拍攝黑洞有以下幾個難點： 第一，雖然星系中心的黑洞很大，但它們極其遙遠(yuǎn)。從地球上觀測M87星系中的黑洞就如同從地球表面觀測月球上的一個橙子。而人類從地球表面拍攝精度最高的月球照片上的1個像素約等于150萬個橙子。若想觀測M87中心的黑洞，我們需要一口和地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡。因此，直接觀測黑洞一度被認(rèn)為是不可能的。 然而科學(xué)家們總是以一種無中生有式的智慧為我們創(chuàng)造了一個奇跡。EHT通過將世界各地的八座射電望遠(yuǎn)鏡相連接，產(chǎn)生了一個望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)。這個技術(shù)叫做VLBI（甚長基線干涉測量技術(shù)），需要每個望遠(yuǎn)鏡的時間達(dá)到完全的同步。 因此，每個望遠(yuǎn)鏡都配有先進(jìn)的原子鐘，使得世界各地的望遠(yuǎn)鏡可以在同一時刻接收同一射電源的信號，各自記錄下來，然后將數(shù)據(jù)（物理）移動到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行比對處理﹐最終得到一個清晰的圖像。EHT中距離最遠(yuǎn)的兩臺望遠(yuǎn)鏡分別位于西班牙格拉納達(dá)市和美國夏威夷莫納基亞山，相距約13000公里。因此，EHT等效于地球大小的望遠(yuǎn)鏡。 EHT成員如下： · 南極望遠(yuǎn)鏡(South Pole Telescope) · 位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array，ALMA) · 位于智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠(yuǎn)鏡(Atacama Pathfinder Experiment) · 位于墨西哥的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡(Large Millimeter Telescope) · 位于美國亞利桑那州的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡(Submillimeter Telescope) · 位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡(James Clerk Maxwell Telescope，JCMT) · 位于夏威夷的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡陣(Submillimeter Array) · 位于西班牙的毫米波射電天文所的30 m毫米波望遠(yuǎn)鏡  https://v.qq.com/x/page/c08598qq93b.html（EHT簡介） 第二，即使我們有了口徑等同于地球直徑大小的望遠(yuǎn)鏡，我們?nèi)詿o法獲得關(guān)于黑洞的全部信息。因為一座望遠(yuǎn)鏡只能獲得黑洞的一部分信息，而我們無法在地球上建滿望遠(yuǎn)鏡，因此我們得到的數(shù)據(jù)就如同聽到的用有壞鍵的鋼琴演奏的曲子一樣。雖然聽到的音符并不完整，但我們的大腦仍能還原出曲子的主要旋律，EHT的科學(xué)家們開發(fā)的圖像生成算法就與此類似。但是，數(shù)據(jù)的有限性導(dǎo)致我們只能觀測到黑洞的某些特征，符合這些特征的備選圖片有很多，就如同有相似前奏的樂曲有很多一樣。 因此，我們需要在不過度提供某類圖片特征的情況下，告訴我們的算法，一張正常的圖片應(yīng)該是什么樣。做到這一點的一種方法是，向算法展示擁有不同特征的圖片，然后看看這些圖片會怎樣影響重建的結(jié)果。如果不同類型的圖片都產(chǎn)生出了差不多的圖像，那么我們便可以更有信心了，我們對圖片的假設(shè)并沒有導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)太大偏差。 一個不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦邮牵偃缥覀冏屗惴ㄊ褂糜^測數(shù)據(jù)還原成一張狗的照片，其結(jié)果還是非常接近我們對黑洞圖片的預(yù)測，那就說明我們對黑洞圖片的預(yù)測是準(zhǔn)確的。 第三，數(shù)據(jù)量大，難以處理。盡管每年EHT的觀測窗口只有十天，但是每晚接收到的數(shù)據(jù)量可達(dá)2PB(1PB=1000TB=1000000GB)，相當(dāng)于歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)一年的數(shù)據(jù)量。由于數(shù)據(jù)量十分龐大，且無法通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此被儲存在硬盤里，送往MIT的海斯塔克天文臺和德國波恩的馬普射電所進(jìn)行處理，這是科學(xué)家們能想到的最快的方式了。  儲存觀測數(shù)據(jù)的硬盤 Credit: KATIE BOUMAN 黑洞的照片有何用處？ 首先，當(dāng)然是滿足人類的好奇心了，那么神秘的一個天體，誰不想看看它到底長什么樣子呢？ 此外，它還有重大的科學(xué)價值。包括： 1.檢驗相對論 愛因斯坦的廣義相對論將時空的彎曲與能量的分布和移動相聯(lián)系，大質(zhì)量的物體會使時空變形。盡管已經(jīng)利用一些實驗進(jìn)行了檢驗，比如用原子鐘證實離地球中心越近時間流逝地越慢；行星的運行軌道并不完全符合萬有引力定律；日全食時愛丁頓爵士測得的星光的偏折等等，但是這些現(xiàn)象與黑洞附近的極端環(huán)境相比簡直是小巫見大巫。 廣義相對論是否適用于黑洞一直的爭議的話題。將我們拍攝的黑洞照片與廣義相對論預(yù)言的進(jìn)行對比，就可以知道愛因斯坦是否正確。 2.深入了解黑洞吸積盤 如果物質(zhì)離黑洞不近并且只受到引力時，它只會像地球圍繞著太陽一樣不停地旋轉(zhuǎn)，摩擦力在黑洞的“進(jìn)食”過程中起到了很大的作用，這個過程叫做吸積。摩擦力使得氣體所攜帶的引力能得到釋放，這些釋放的引力能會加熱吸積盤中的氣體，形成環(huán)繞黑洞的高溫氣體圓盤，然后落入黑洞。由于黑洞質(zhì)量非常大，非常致密，物質(zhì)需要釋放很大的能量才能落入黑洞，所以吸積盤會很明亮。 利用拍攝的黑洞照片，我們要弄明白，為什么人馬座A*的吸積盤如此暗淡，以及使黑洞得以進(jìn)食的摩擦力是怎么產(chǎn)生的。 3.認(rèn)識相對論噴流 很多星系中都出現(xiàn)了大規(guī)模的來自黑洞快速等離子噴流。M87中的噴流這種噴流以接近光速的速度延伸到5000光年以外。黑洞的照片將對我們了解這種奇妙的天體物理現(xiàn)象提供幫助。  人馬座A 一個有著噴流和洛希瓣的射電星系 Credit: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al./MPIfR/ESO/WFI/APEX/A.Weiss et al. 我們何其有幸，成為首批看到黑洞照片的人類。這個宇宙中最神秘莫測的天體如今展現(xiàn)在我們的眼前，5500萬光年外的驚心動魄化為這張有些模糊的照片。當(dāng)愛因斯坦的預(yù)言成為現(xiàn)實，我們這些站在巨人肩膀上的人們理應(yīng)為之嘆服，理應(yīng)為人類而驕傲。但還有太多未知等待我們?nèi)ヌ剿?，探索黑洞，探索奇妙的宇宙，探索我們的未來。這張照片正是人類前進(jìn)的底氣和決心的最好詮釋。 參考資料： https:///science 《基礎(chǔ)天文學(xué)》劉學(xué)富 https://zh./wiki/blackhole https://baike.baidu.com/item/甚長基線干涉測量/8768745 ————— END ————— |
|
|
