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黑洞照片怎么拍的?从准备到冲洗深度揭秘

大量天文观测数据已证实,在浩瀚的宇宙当中,有无数的黑洞神秘地藏身于各星系中。

但人类却从未直接“看”到过黑洞,并不知道它的真实模样。

为了能一睹黑洞真容,2017年4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们启动了一项雄心勃勃的庞大观测计划。他们将分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,希望利用其捕获黑洞影像。

最终,科学家们成功拍摄到了黑洞的第一幅“照片”。

北京时间2019年4月10日21时,这张照片在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京六地同时发布。传说中的黑洞终于揭开神秘面纱。

人类有史以来的第一张黑洞照片是如何拍摄的,记者为您揭秘整个过程。

认识黑洞

理论上,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围,该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界。

那么,黑洞是怎么形成的?

像宇宙万物一样,恒星也会衰老死亡。一些大质量恒星在核聚变反应燃料耗尽时,内核会急剧塌缩,所有物质快速的向着一个点坍缩,最终坍缩成一颗黄豆大小的奇点,并形成一个强大的力场漩涡,扭曲周围时空,成为黑洞。

宇宙中,根据质量天文学家们将宇宙中的黑洞分成三类:恒星级质量黑洞(几十倍—上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。

根据理论推算,银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞。然而,因为黑洞自身不发射和反射电磁波,仪器和肉眼都无法直接观测到它。

既然无法“看见”,那怎么就知道它存在呢?天文学家们主要是通过各种间接的证据。

中国科学院上海天文台研究员沈志强:“主要有三类代表性证据。一是恒星、气体的运动透漏了黑洞的踪迹。黑洞有强引力,对周围的恒星、气体会产生影响,于是我们可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。二是根据黑洞吸积物质,也就是吃东西时发出的光来判断黑洞的存在。第三则是通过看到黑洞成长的过程‘看’见黑洞。”

到目前为止,通过间接的观测,科学家们在银河系发现和确认了20多个恒星级质量黑洞,但可能有上千万个恒星级黑洞候选体。

沈志强说:“宇宙每个星系中心都有一个超大质量的黑洞。我们居住的银河系中心就有一颗,它的质量大约是太阳质量的400多万倍。除此之外,银河系还有很多恒星级黑洞。”

这些神秘的黑洞和宇宙的诞生和演化有何关系?它和所在的星系之间又有什么关系?它又和我们人类有什么关系,会不会对我们的生活产生影响?……

为了更准确清晰地解答这些问题,科学家们想直接“看”到黑洞。

准备“相机”

广义相对论预言,虽然黑洞本身不发光,但因为黑洞的存在,周围时空弯曲,气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中,引力能转化为光和热,因此气体被加热至数十亿度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,事件视界看起来就像阴影,阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。

爱因斯坦的广义相对论已预测过这个“阴影”的存在,以及它的大小和形状。

科学家们期望这次能直接捕获到这个黑洞“阴影”的图像。

中国科学院上海天文台研究员路如森说:“对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接‘视觉’证据。”

路如森说:“这就必须要保证望远镜足够灵敏,能分辨的细节足够小,从而能保证看得到和看得清。”

但满足上述所有条件,望远镜的口径需要像地球大小。

然而,目前地球上已有的单个望远镜最大口径也只有500米。

那该怎么办?

聪明的天文学家们想到了一个好办法——搞强强联合。

把地球上现有的一些望远镜“组合”起来,就能够形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜,其所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。

于是,全球超过200名科学家达成了“事件视界望远镜”(EHT)这一重大国际合作计划,决定利用甚长基线干涉测量技术。

沈志强说:“就是利用多个位于不同地方的望远镜在同一时间进行联合观测,最后将数据进行相关性分析之后合并,这一技术在射电波段已相当成熟。”

最终,科学家们选定了来自全球多地的包括南极望远镜等8个亚毫米射电望远镜。

路如森说:“它们多数都是单一望远镜,比如夏威夷的JCMT和南极望远镜。也有望远镜阵列,比如ALMA望远镜是由70多个小望远镜构成。”

选定目标

在组建大型虚拟望远镜的同时,科学家们也在寻找着合适的拍摄目标。

黑洞剪影和周围环绕的新月般光环是非常非常小的。在拍照设备能力有限的情况下,要想拍摄到黑洞照片,必须找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为目标。

科学家们甄选了一圈之后,决定将近邻的两个黑洞作为主要目标:一个是位于人马座方向的银河系中心黑洞SgrA*,另一个则是位于射电星系M87的中心黑洞M87*。

沈志强说:“由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比,这也意味着质量越大,其事件视界越大。我们选定的这两个黑洞质量都超级大,它们的事件视界在地球上看起来也是最大的,可以说是目前最优的成像候选体。”

尽管如此被选择的两个黑洞已是最优成像候选体,但要清晰为它拍照,难度还是极其大。

SgrA*黑洞的质量大约相当于400万个太阳,所对应的视界面尺寸约为2400万公里,相当于17个太阳的大小。然而,地球与SgrA*相距2万5千光年(约24亿亿公里)之遥。

沈志强说:“这就意味着,它巨大的视界面在我们看来,大概只有针尖那么小,就像我们站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子。”

M87中心黑洞的质量更为巨大,达到了60亿个太阳质量。

尽管M87中心黑洞与地球的距离要比SgrA*与地球之间的距离更远,但因质量庞大,所以它的事件视界对科学家们而言,可能跟SgrA*大小差不多,甚至还要稍微大那么一点儿。

调试相机

要想看清楚两个黑洞事件视界的细节,事件视界望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。

要多高呢?

路如森说:“比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上。”

但也别以为,只要虚拟望远镜阵列的分辨率足够高,就一定能成功给黑洞拍照。

实际情况并没那么简单!如同观看电视节目必须选对频道一样,对黑洞成像而言,能够在合适的波段进行观测至关重要。

此前的一系列研究表明,观测黑洞事件视界“阴影”的最佳波段是约为1毫米。

路如森说:“因为气体在这个波段的辐射最明亮,而且射电波也可以不被阻挡地从银河系中心传播到地球。”

在这种情况下,望远镜的分辨率取决于望远镜之间的距离,而非单个望远镜口径的大小。

为了增加空间分辨率,以看清更为细小的区域,科学家们在此次进行观测的望远镜阵列里增加了位于智利和南极的望远镜。

沈志强说:“这样设置是为了要保证所有8个望远镜都能看到这两个黑洞,从而达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率。”

正式拍摄

8个望远镜北至西班牙,南至南极,它们将向选定的目标撒出一条大网,捞回海量数据,为我们勾勒出黑洞的模样。

留给科学家们的观测窗口期非常短暂,每年只有大约10天时间。对于2017年来说,是在4月5日到4月14日之间。

除了观测时间上的限制,拍摄对天气条件要求也极为苛刻。

“因为大气中的水对这一观测波段的影响极大,水会影响射电波的强度,这意味着降水会干扰观测。”沈台说,“要想视界面望远镜顺利观测,需要所有望远镜所在地的天气情况都非常好。”

按照要求,计划选择的8个望远镜所在之处均是位于海拔较高,降雨量极少,全部晴天的概率非常高。

此外,要成像成功还必须要求所有望远镜在时间上完全同步。

北京时间2017年4月4日,事件视界望远镜启动拍摄,将视线投向了宇宙。最后的观测结束于美国东部时间4月11日。

观测期间,每一个射电望远镜都收集并记录来自于目标黑洞附近的射电波信号,这些数据然后被集成用于获得事件视界的图像。

沈志强说:“为了确保信号的稳定性,事件视面望远镜利用原子钟来确保望远镜收集并记录信号在时间上同步。”

冲洗照片

给黑洞拍张照片不容易,“洗照片”更是耗时漫长。

射电望远镜不能直接“看到”黑洞,但它们将收集大量关于黑洞的数据信息,用数据向科学家们描述出黑洞的样子。

在观测结束之后,各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心(分别位于美国麻省Haystack天文台和德国波恩的马普射电所)。在那里,超级计算机通过回放硬盘记录的数据,在补偿无线电波抵达不同望远镜的时间差后将所有数据集成并进行校准分析,从而产生一个关于黑洞高分辨率影像。

此后,经过长达两年的“冲洗”,2019年4月10日,人类历史上首张黑洞照片终于问世。

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