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| 本文作者： camel | 2019-04-10 21:25 |
來自M87星系首張真實(shí)黑洞圖像，人類認(rèn)識(shí)黑洞一百年來首次目睹黑洞的真容。
雷鋒網(wǎng)按：在看了無數(shù)張計(jì)算機(jī)模擬或者手工繪制的黑洞圖像后，我們，人類終于看到了首張真實(shí)黑洞的特寫。
北京時(shí)間4月10日21點(diǎn)整，由全球30多個(gè)研究單位組成的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）團(tuán)隊(duì)在上海、臺(tái)北、東京、布魯塞爾、圣地亞哥和華盛頓六地以漢語、日語、西班牙語和英語同步進(jìn)行新聞發(fā)布會(huì)，宣布了人類首張黑洞照片及相關(guān)研究成果。這是人類認(rèn)識(shí)黑洞一百年來首次目睹黑洞的真容。
黑洞，簡單來講，就是一個(gè)質(zhì)量非常大的天體，它所產(chǎn)生的引力之強(qiáng)大即使連光子都不能逃出來；所有的物質(zhì)（包括光子）只要進(jìn)入到一定距離范圍內(nèi)將永遠(yuǎn)也逃不出來，恰如在宇宙空間中一個(gè)黑咕隆咚的洞。我們稱這個(gè)連光子都無法逃出的邊界為“事件視界”。
由于連光都無法逃逸，我們也就無法直接觀測到黑洞。但道路千萬條，我們可以通過間接的方式。比如說，當(dāng)一顆恒星離黑洞比較近時(shí)，恒星的物質(zhì)就會(huì)被吸向黑洞，在黑洞周圍形成一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的吸積氣盤，盤中氣體劇烈摩擦發(fā)熱，從而發(fā)出X射線。借由對這類X射線的觀測，天文學(xué)家便可以間接地發(fā)現(xiàn)黑洞了。
吸積盤圖
當(dāng)然，黑洞的觀測并不是這么容易。有人估計(jì)過去100億年中銀河系平均每100年有一顆超新星爆炸，而每100個(gè)中有1顆將導(dǎo)致黑洞形成，按照這種算法那么銀河系應(yīng)該有100萬個(gè)恒星級黑洞。但截至目前為止天文學(xué)家能夠確認(rèn)的只有20多個(gè)。其中較為著名的包括銀河系中心的人馬座A*（也是這次事件的主角之一）、天鵝座X-1、SN1979C等。
人馬座A*（中央）與兩個(gè)光回波
人馬座，也即我們所熟知的“射手座”。銀河系的銀心正是在人馬座A的方向。人馬座A*（簡寫為Sgr A*）是位于銀河系銀心一個(gè)非常光亮及致密的無線電波源，大約每11分鐘旋轉(zhuǎn)一圈，屬于人馬座A的一部分。天文學(xué)家花費(fèi)了很大的力氣最終證實(shí)人馬座A*是一顆特大質(zhì)量黑洞，其直徑4400萬公里（是太陽的17倍），質(zhì)量大概是400萬個(gè)太陽質(zhì)量。聽起來似乎很大，但要知道它離我們有25000光年之遠(yuǎn)，從地球望去幾乎相當(dāng)于去看月球上的一顆橙子。
盡管如此，它已經(jīng)是我們已知黑洞中離我們最近的一個(gè)了，因此也成為研究黑洞的最佳選項(xiàng)。
M87星系是巨大的橢圓星系，其中心是一個(gè)巨大黑洞。藍(lán)色部分是M87星系正以近乎光的速度向外界拋射物質(zhì)噴流，且長度達(dá)5000光年
我們的另一個(gè)主角M87星系黑洞，是位于M87星系（在室女座，也即我們通常所說的“處女座”）的一個(gè)巨大黑洞，其質(zhì)量大概是30~60億個(gè)太陽質(zhì)量（具體數(shù)據(jù)各家論述不同）。在同類天體中，已知它是其中質(zhì)量最大之一。它與我們太陽系的距離約5000萬光年。研究人員認(rèn)為這個(gè)黑洞很有可能是在過去某段時(shí)間里由幾百個(gè)小黑洞融合而成。相比而言，銀河系中心的Sgr A*簡直就太小了。
之所以選定這兩個(gè)黑洞作為觀測目標(biāo)，顯然主要是因?yàn)樗鼈兊拇笮『途嚯x。其他黑洞因?yàn)榫嚯x地球太遠(yuǎn)或者質(zhì)量較小，觀測難度較大。
在2015年，人類首次通過 LIGO “聽到”兩個(gè)黑洞相互繞轉(zhuǎn)合并所產(chǎn)生的引力波，但是一些科學(xué)家覺得若不能親眼目睹黑洞真容終歸是一個(gè)遺憾。然后想要觀測黑洞，依靠目前任何單個(gè)望遠(yuǎn)鏡都是不可能做到的，因?yàn)榭趶捷^小，空間分辨率不夠。若想滿足足夠的分辨率，必須要有超大口徑的望遠(yuǎn)鏡才行，如果能有一個(gè)地球這么大口徑的望遠(yuǎn)鏡當(dāng)然是好的，但顯然不切實(shí)際。
一種解決方式就是，將分布于全球的多個(gè)望遠(yuǎn)鏡結(jié)合起來，同時(shí)去觀測同一個(gè)天體，然后將數(shù)據(jù)融合在一起，在效果上將等同于一臺(tái)地球大小口徑的望遠(yuǎn)鏡了。于是便有了利用分布于全球不同地區(qū)的8個(gè)設(shè)點(diǎn)望遠(yuǎn)鏡陣列組成一個(gè)虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)被稱為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EventHorizon Telescope, EHT）。
EHT
這8個(gè)望遠(yuǎn)鏡分布于全球各地，包括：
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 MillimeterArray，ALMA)；
位于智利的阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡（Atacama PathfinderExperiment）；
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（Submillimeter Telescope）；
位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（James Clerk MaxwellTelescope，JCMT）；
位于夏威夷的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（Submillimeter Array）；
位于西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠(yuǎn)鏡。
這八個(gè)有單一的望遠(yuǎn)鏡，如南極望遠(yuǎn)鏡和夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡；也有望遠(yuǎn)鏡陣列，例如ALMA望遠(yuǎn)鏡是由70多個(gè)小望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成。
麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡
阿塔卡馬大型毫米波陣
在使用EHT進(jìn)行觀測之前，天文學(xué)家們利用多個(gè)地方的望遠(yuǎn)鏡對Sgr A* 和M87黑洞進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的聯(lián)合觀測，結(jié)果盡管沒能看清黑洞的視界面，但也探測到了黑洞中心區(qū)域的輻射，這不由得讓天文學(xué)家們興奮不已。
隨后，在2017年4月5日至14日，來自全球30多個(gè)研究所的科學(xué)家們在8個(gè)地方同時(shí)進(jìn)行了正式的觀測。這10天是非常寶貴的，因?yàn)橐环矫婷颗_(tái)望遠(yuǎn)鏡的觀測時(shí)間排班表往往都是滿滿各種各樣的觀測計(jì)劃，另一方面觀測必須在所有望遠(yuǎn)鏡所在地天氣晴朗的條件下進(jìn)行。對于2017年來講，留給EHT團(tuán)隊(duì)的人只有10天的觀測窗口。
事實(shí)上，本次觀測只進(jìn)行了4-5天，其中兩個(gè)晚上用來觀測銀河系中心黑洞Sgr A*，剩下的時(shí)間用來觀測星系M87黑洞。
然而拍照容易，“洗照片”卻很難。8個(gè)地方的射電望遠(yuǎn)鏡，平均來講每臺(tái)每秒產(chǎn)生8GB的數(shù)據(jù)，一晚上差不多有1PB（1PB=1000000GB），對于這樣的數(shù)據(jù)現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)傳輸速度根本跟不上，因此科學(xué)家們必須先把數(shù)據(jù)存到硬盤，然后再空運(yùn)到美國Haystack天文臺(tái)和德國馬普射電所。
第一排：根據(jù)相對論計(jì)算的黑洞仿真模型；第二排：根據(jù)仿真模型計(jì)算出的預(yù)期 EHT 觀測成像
在這兩個(gè)研究單位，有數(shù)十名數(shù)據(jù)處理專家仔細(xì)地校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。然后他們分成四個(gè)小組，分別對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、生成圖像。當(dāng)然，過程中會(huì)生成大量相關(guān)的圖像，他們必須從中找出最匹配數(shù)據(jù)的那張；另一方面各個(gè)小組之間生成的圖像還需要交叉檢驗(yàn)，這就像偵探破案一般。這一過程，花了將近兩年的時(shí)間。
這個(gè)項(xiàng)目前前后后經(jīng)過了幾年的準(zhǔn)備、觀測和對數(shù)據(jù)處理渲染，最終于今天發(fā)布了 M87 星系黑洞的圖像。盡管我們看到的圖像仍稍顯模糊，但我們?nèi)祟惤K究看到了真實(shí)黑洞的樣子，而不再停留在想象當(dāng)中。
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