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人類史上首張黑洞照片發佈!

 

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曉查 發自 紐凹非寺 

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

 

剛剛,天文學家公佈了人類史上首張黑洞照片。這顆黑洞就是M87星系中心的超大質量黑洞,它的質量是太陽的65億倍,距離地球5500萬光年。

上面就是由事件視界望遠鏡(EHT)拍攝的黑洞照片。

黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言的一種質量極大的天體,它的引力極強,強到連光線都被吸引無法逃逸。

是一個接近圓形的環狀結構,黑洞陰影亮的地方和中心黑洞對比度超過10倍,說明這個黑洞是真實的。

今天之前,人類已經找到了黑洞存在的諸多證據,3年前我們還聽到了來自黑洞合併發出的“聲音”,但黑洞究竟長啥樣卻只能靠猜想。

科學家們早已用理論推測了黑洞的樣子,其中最為大眾所熟知的是《星際穿越》里的“卡岡圖雅”。電影導演克裡斯托弗·諾蘭請來了知名天體物理學家基普·索恩,花費一年多的時間,根據廣義相對論用計算機模擬為我們呈現了這樣一幅景象。

如何理解黑洞照片

既然黑洞不能發出光線,也會吸進射入它的光線,人類又是如何看見黑洞的?

黑洞雖然是光的“墳墓”,但只有一定範圍內光線才無法逃出。這個範圍就是EHT名稱的來源“事件視界”(Event Horizon),“事件視界”之外的光線會被彎曲,但是有幾率逃出黑洞引力的“魔爪”。

另外黑洞強大的引力會讓任何靠近它的物質落入其中,形成像排水孔周圍一樣的漩渦,稱為吸積盤。在這個過程中,氣體因引力勢能得到釋放被加熱到幾百萬度,發出強烈的光。

在黑洞前方的吸積盤是“卡岡圖雅”的“腰帶”,後方的吸積盤發出的光線在黑洞引力下扭曲變形,繞過半圈仍然可以被我們看見,形成了黑洞上下方的光環,於是就有了“卡岡圖雅”那樣特殊的圖像。

細心的你也許會註意到,黑洞吸積盤上下兩側亮度不一樣,這是由於吸積盤中的氣體高速旋轉,根據多普勒效應,發光氣體就像手電筒一樣,幾乎只會照亮運動方向的前方,轉向你的一側會較亮,而轉離你的一側會較暗。

另外,黑洞的引力讓後方恆星發出的光線“折射”,就像一個擋在恆星和地球之間的透鏡,科學家們把它叫做“引力透鏡”。黑洞周圍扭曲的星空也為我們提供了黑洞存在的證據。

今晚的照片顯然不能和《星際穿越》中壯觀的效果相比擬。但是,請不要吐槽照片效果太差,為了“沖洗”這張照片,科學家們花費了2年時間,而為了拍攝這張照片,他們把望遠鏡建到世界各地,甚至是寒冷的南極洲。

Veritasium於4月9日在YouTube上發佈了一段視頻,標題是:How to Understand the Image of a Black Hole。

這段總時長9分鐘的視頻,非常形象的解釋了,為什麼黑洞的照片會是一個特定的樣子,通俗易懂,在YouTube上已有上百萬的瀏覽。

和地球一樣大的望遠鏡

事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,EHT)專案起源於2006年,來自全球30多個研究所的科學家們開展了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃——給黑洞拍攝一張照片。

這顆黑洞很大,卻很難看清。

這個黑洞雖然尺寸很大,但是它距離我們5500萬光年。EHT負責人Doeleman博士這樣形容:好比你在紐約,去細數遠在洛杉磯的一個高爾夫球上的凹槽。

即使是哈勃望遠鏡也無法達到這麼高的解析度,需要在原來的基礎上提高1000倍才能看見這顆黑洞。提高解析度的方法之一是增大望遠鏡的口徑。

為此,科學家們製造了一個口徑和地球一樣大的望遠鏡。準確地說,是一個遍佈全球的射電望遠鏡網絡,由8個分佈在歐洲、美洲、南極洲的望遠鏡組成。

這八個望遠鏡,分別長成這個樣子。

通過甚長基線干涉測量法(VLBI),這8個望遠鏡的資料實現了相互關聯,等效於一個口徑和地球一樣大的望遠鏡。

Doeleman博士打了個通俗的比方,如果有人將手指浸入池塘並產生漣漪,沿岸安裝了潮汐測量儀,你可以通過記錄每個波峰到達岸邊的時間來找出漣漪的來源。

如果有兩個手指伸入水中,那麼漣漪會相互干涉,有些地方的波動會放大,有些地方的波動會消失。一些潮汐測量儀會測量出特別大的波峰,而另一些會測量出較弱的信號。通過分析這種樣式,我們可以知道遠處發生了什麼。

在地球上,科學家們記錄著無線電波到達的信號,並用高精度的原子鐘進行同步。有了來自不同觀測站望遠鏡的資料,科學家們就能重建出一幅發生在數萬光年之外的圖像。

但是8個望遠鏡的資料並不能獲得黑洞的實時圖像。EHT一個晚上產生的資料量就達到2PB(約2000TB),無法通過互聯網發送,因此不可能實時分析所有觀測站的資料。

Doeleman博士開玩笑說,載有硬碟的飛機比網線的帶寬要高得多,科學家們需要把各個地方存有資料的硬碟帶到麻省理工和馬普研究所,由超級計算機進行處理。

在EHT發現黑洞的過程也有中國科學家的參與,中科院上海天文臺是EHT的合作機構之一。2005年,由上海天文臺副台長沈志強領導的小組,將另一個黑洞候選者人馬座A *的位置縮小到1.5億公里的區域內。

在EHT公佈照片之前的幾十年,科學家們一直在用各種“曲線救國”的手段苦苦尋找黑洞存在的證據。

找到黑洞存在的證據

根據黑洞附近恆星的運動軌跡可以計算出黑洞的質量。自1995年以來,天文學家已經跟蹤了90顆恆星的軌道,他們圍繞銀河系中心一個看不見的物體運動。而一個質量巨大的物體被限制在一個極小的範圍內,只可能是黑洞。

前面已經說過,黑洞吸積盤有X射線和無線電波將噴出。這些明亮的X射線源可以通過望遠鏡檢測到。

另外,兩個黑洞在相互繞著旋轉最後合併成一個黑洞時,會發出引力波。引力波是一種時空的漣漪,會讓時空產生形變。2015年9月14日,LIGO引力波天文臺首次觀測到了廣義相對論預言的引力波。

但以上兩種都是黑洞存在的間接證據,黑洞照片這一直接證據遲遲沒有找到,今晚這一塊拼圖終於拼上了。

One More Thing:紀念霍金

在廣義相對論提出的100年後,人類用黑洞照片又一次證明瞭它的正確性。除了愛因斯坦,在黑洞問題上,還有一位物理學家——霍金——做出了許多理論貢獻,他提出的霍金輻射、黑洞無毛定理隨著那本《時間簡史》成為大眾熟知的概念。

2017年4月,人類完成了黑洞照片的拍攝工作,隨後進入了漫長的資料處理過程。2018年3月14日,霍金突然逝世。

今天,第一張黑洞照片終於發佈,這或許是對霍金最好的悼念。

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