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大量天文觀測數(shù)據(jù)已證實(shí),在浩瀚的宇宙當(dāng)中,有無數(shù)的黑洞神秘地藏身于各星系中。

但人類卻從未直接“看”到過黑洞,并不知道它的真實(shí)模樣。

為了能一睹黑洞真容,2017年4月5日到14日之間,來自全球30多個研究所的科學(xué)家們啟動了一項(xiàng)雄心勃勃的龐大觀測計(jì)劃。他們將分布于全球不同地區(qū)的8個射電望遠(yuǎn)鏡陣列組成一個虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò),希望利用其捕獲黑洞影像。

最終,科學(xué)家們成功拍攝到了黑洞的第一幅“照片”。

北京時間2019年4月10日21時,這張照片在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京六地同時發(fā)布。傳說中的黑洞終于揭開神秘面紗。

人類有史以來的第一張黑洞照片是如何拍攝的,記者為您揭秘整個過程。

認(rèn)識黑洞

理論上,黑洞是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言存在的一種天體。它具有的超強(qiáng)引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍,該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。

那么,黑洞是怎么形成的?

像宇宙萬物一樣,恒星也會衰老死亡。一些大質(zhì)量恒星在核聚變反應(yīng)燃料耗盡時,內(nèi)核會急劇塌縮,所有物質(zhì)快速的向著一個點(diǎn)坍縮,最終坍縮成一顆黃豆大小的奇點(diǎn),并形成一個強(qiáng)大的力場漩渦,扭曲周圍時空,成為黑洞。

宇宙中,根據(jù)質(zhì)量天文學(xué)家們將宇宙中的黑洞分成三類:恒星級質(zhì)量黑洞(幾十倍—上百倍太陽質(zhì)量)、超大質(zhì)量黑洞(幾百萬倍太陽質(zhì)量以上)和中等質(zhì)量黑洞(介于兩者之間)。

根據(jù)理論推算,銀河系中應(yīng)該存在著上千萬個恒星量級的黑洞。然而,因?yàn)楹诙醋陨聿话l(fā)射和反射電磁波,儀器和肉眼都無法直接觀測到它。

既然無法“看見”,那怎么就知道它存在呢?天文學(xué)家們主要是通過各種間接的證據(jù)。

中國科學(xué)院上海天文臺研究員沈志強(qiáng):“主要有三類代表性證據(jù)。一是恒星、氣體的運(yùn)動透漏了黑洞的蹤跡。黑洞有強(qiáng)引力,對周圍的恒星、氣體會產(chǎn)生影響,于是我們可以通過觀測這種影響來確認(rèn)黑洞的存在。二是根據(jù)黑洞吸積物質(zhì),也就是吃東西時發(fā)出的光來判斷黑洞的存在。第三則是通過看到黑洞成長的過程‘看’見黑洞。”

到目前為止,通過間接的觀測,科學(xué)家們在銀河系發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)了20多個恒星級質(zhì)量黑洞,但可能有上千萬個恒星級黑洞候選體。

沈志強(qiáng)說:“宇宙每個星系中心都有一個超大質(zhì)量的黑洞。我們居住的銀河系中心就有一顆,它的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的400多萬倍。除此之外,銀河系還有很多恒星級黑洞。”

這些神秘的黑洞和宇宙的誕生和演化有何關(guān)系?它和所在的星系之間又有什么關(guān)系?它又和我們?nèi)祟愑惺裁搓P(guān)系,會不會對我們的生活產(chǎn)生影響?……

為了更準(zhǔn)確清晰地解答這些問題,科學(xué)家們想直接“看”到黑洞。

準(zhǔn)備“相機(jī)”

廣義相對論預(yù)言,雖然黑洞本身不發(fā)光,但因?yàn)楹诙吹拇嬖?,周圍時空彎曲,氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中,引力能轉(zhuǎn)化為光和熱,因此氣體被加熱至數(shù)十億度。黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi),事件視界看起來就像陰影,陰影周圍環(huán)繞著一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環(huán)。

愛因斯坦的廣義相對論已預(yù)測過這個“陰影”的存在,以及它的大小和形狀。

科學(xué)家們期望這次能直接捕獲到這個黑洞“陰影”的圖像。

中國科學(xué)院上海天文臺研究員路如森說:“對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接‘視覺’證據(jù)。”

路如森說:“這就必須要保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏,能分辨的細(xì)節(jié)足夠小,從而能保證看得到和看得清。”

但滿足上述所有條件,望遠(yuǎn)鏡的口徑需要像地球大小。

然而,目前地球上已有的單個望遠(yuǎn)鏡最大口徑也只有500米。

那該怎么辦?

聰明的天文學(xué)家們想到了一個好辦法——搞強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。

把地球上現(xiàn)有的一些望遠(yuǎn)鏡“組合”起來,就能夠形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡,其所達(dá)到的靈敏度和分辨本領(lǐng)都是前所未有的。

于是,全球超過200名科學(xué)家達(dá)成了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”(EHT)這一重大國際合作計(jì)劃,決定利用甚長基線干涉測量技術(shù)。

沈志強(qiáng)說:“就是利用多個位于不同地方的望遠(yuǎn)鏡在同一時間進(jìn)行聯(lián)合觀測,最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析之后合并,這一技術(shù)在射電波段已相當(dāng)成熟。”

最終,科學(xué)家們選定了來自全球多地的包括南極望遠(yuǎn)鏡等8個亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡。

路如森說:“它們多數(shù)都是單一望遠(yuǎn)鏡,比如夏威夷的JCMT和南極望遠(yuǎn)鏡。也有望遠(yuǎn)鏡陣列,比如ALMA望遠(yuǎn)鏡是由70多個小望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成。”

選定目標(biāo)

在組建大型虛擬望遠(yuǎn)鏡的同時,科學(xué)家們也在尋找著合適的拍攝目標(biāo)。

黑洞剪影和周圍環(huán)繞的新月般光環(huán)是非常非常小的。在拍照設(shè)備能力有限的情況下,要想拍攝到黑洞照片,必須找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為目標(biāo)。

科學(xué)家們甄選了一圈之后,決定將近鄰的兩個黑洞作為主要目標(biāo):一個是位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*,另一個則是位于射電星系M87的中心黑洞M87*。

沈志強(qiáng)說:“由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比,這也意味著質(zhì)量越大,其事件視界越大。我們選定的這兩個黑洞質(zhì)量都超級大,它們的事件視界在地球上看起來也是最大的,可以說是目前最優(yōu)的成像候選體。”

盡管如此被選擇的兩個黑洞已是最優(yōu)成像候選體,但要清晰為它拍照,難度還是極其大。

Sgr A*黑洞的質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬個太陽,所對應(yīng)的視界面尺寸約為2400萬公里,相當(dāng)于17個太陽的大小。然而,地球與Sgr A*相距2萬5千光年(約24億億公里)之遙。

沈志強(qiáng)說:“這就意味著,它巨大的視界面在我們看來,大概只有針尖那么小,就像我們站在地球上去觀看一枚放在月球表面的橙子。”

M87中心黑洞的質(zhì)量更為巨大,達(dá)到了60億個太陽質(zhì)量。

盡管M87中心黑洞與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠(yuǎn),但因質(zhì)量龐大,所以它的事件視界對科學(xué)家們而言,可能跟Sgr A*大小差不多,甚至還要稍微大那么一點(diǎn)兒。

調(diào)試相機(jī)

要想看清楚兩個黑洞事件視界的細(xì)節(jié),事件視界望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率要達(dá)到足夠高才行。

要多高呢?

路如森說:“比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率高出1000倍以上。”

但也別以為,只要虛擬望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率足夠高,就一定能成功給黑洞拍照。

實(shí)際情況并沒那么簡單!如同觀看電視節(jié)目必須選對頻道一樣,對黑洞成像而言,能夠在合適的波段進(jìn)行觀測至關(guān)重要。

此前的一系列研究表明,觀測黑洞事件視界“陰影”的最佳波段是約為1毫米。

路如森說:“因?yàn)闅怏w在這個波段的輻射最明亮,而且射電波也可以不被阻擋地從銀河系中心傳播到地球。”

在這種情況下,望遠(yuǎn)鏡的分辨率取決于望遠(yuǎn)鏡之間的距離,而非單個望遠(yuǎn)鏡口徑的大小。

為了增加空間分辨率,以看清更為細(xì)小的區(qū)域,科學(xué)家們在此次進(jìn)行觀測的望遠(yuǎn)鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠(yuǎn)鏡。

沈志強(qiáng)說:“這樣設(shè)置是為了要保證所有8個望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個黑洞,從而達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率。”

正式拍攝

8個望遠(yuǎn)鏡北至西班牙,南至南極,它們將向選定的目標(biāo)撒出一條大網(wǎng),撈回海量數(shù)據(jù),為我們勾勒出黑洞的模樣。

留給科學(xué)家們的觀測窗口期非常短暫,每年只有大約10天時間。對于2017年來說,是在4月5日到4月14日之間。

除了觀測時間上的限制,拍攝對天氣條件要求也極為苛刻。

“因?yàn)榇髿庵械乃畬@一觀測波段的影響極大,水會影響射電波的強(qiáng)度,這意味著降水會干擾觀測。” 沈臺說,“要想視界面望遠(yuǎn)鏡順利觀測,需要所有望遠(yuǎn)鏡所在地的天氣情況都非常好。”

按照要求,計(jì)劃選擇的8個望遠(yuǎn)鏡所在之處均是位于海拔較高,降雨量極少,全部晴天的概率非常高。

此外,要成像成功還必須要求所有望遠(yuǎn)鏡在時間上完全同步。

北京時間2017年4月4日,事件視界望遠(yuǎn)鏡啟動拍攝,將視線投向了宇宙。最后的觀測結(jié)束于美國東部時間4月11日。

觀測期間,每一個射電望遠(yuǎn)鏡都收集并記錄來自于目標(biāo)黑洞附近的射電波信號,這些數(shù)據(jù)然后被集成用于獲得事件視界的圖像。

沈志強(qiáng)說:“為了確保信號的穩(wěn)定性,事件視面望遠(yuǎn)鏡利用原子鐘來確保望遠(yuǎn)鏡收集并記錄信號在時間上同步。”

沖洗照片

給黑洞拍張照片不容易,“洗照片”更是耗時漫長。

射電望遠(yuǎn)鏡不能直接“看到”黑洞,但它們將收集大量關(guān)于黑洞的數(shù)據(jù)信息,用數(shù)據(jù)向科學(xué)家們描述出黑洞的樣子。

在觀測結(jié)束之后,各個站點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)將被匯集到兩個數(shù)據(jù)中心(分別位于美國麻省Haystack天文臺和德國波恩的馬普射電所)。在那里,超級計(jì)算機(jī)通過回放硬盤記錄的數(shù)據(jù),在補(bǔ)償無線電波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時間差后將所有數(shù)據(jù)集成并進(jìn)行校準(zhǔn)分析,從而產(chǎn)生一個關(guān)于黑洞高分辨率影像。

此后,經(jīng)過長達(dá)兩年的“沖洗”,2019年4月10日,人類歷史上首張黑洞照片終于問世。

責(zé)任編輯:趙睿

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