黑洞照片怎么拍的 黑洞照片具體拍攝手法 事件視界望遠(yuǎn)鏡是什么

據(jù)新華社報道，“如果地球是平的，那使用這一技術(shù)可以從波恩看清紐約街頭報紙上的字。”德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長安東·岑蘇斯對記者說，集合全球射電望遠(yuǎn)鏡給黑洞拍照，有助于探索宇宙形成之謎。

人類首次拍攝到的黑洞照片10日將在全球多地同時發(fā)布，岑蘇斯作為項目協(xié)作委員會主席及照片數(shù)據(jù)分析機(jī)構(gòu)的負(fù)責(zé)人主持比利時布魯塞爾的新聞發(fā)布會。

發(fā)布會前夕，岑蘇斯在德國波恩接受記者專訪時介紹，這個項目的主要任務(wù)是拍攝兩個黑洞。一個位于銀河系中心，名為“人馬座A＊”，是距離我們最近的超大質(zhì)量黑洞；另一個就是位于銀河系鄰近星系M87中心的黑洞，它的質(zhì)量要大得多。它們是按人類“現(xiàn)有的能力”確定的“理想觀測對象”。

即使最近的“人馬座A＊”，距地球也有2．6萬光年，M87更是距離地球5500萬光年。給這么遠(yuǎn)的對象拍照，需要舉全球之力。岑蘇斯說，這一名為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的項目團(tuán)隊由來自全球的數(shù)百名研究人員組成，集合了分布在全球各地的多個射電望遠(yuǎn)鏡。

“我們很早就和國際合作伙伴一起，致力于將相關(guān)科技能力推進(jìn)到毫米波等級。”岑蘇斯說，給黑洞拍照主要應(yīng)用的是“甚長基線干涉測量技術(shù)”，通過陣列望遠(yuǎn)鏡，既能敏感捕捉微弱信號，又能擁有高分辨率，從而進(jìn)行詳盡觀測。

據(jù)介紹，拍照工作大約兩年前正式啟動，位于歐洲、美洲、大洋洲和南極洲的8個天文臺參與。觀測數(shù)據(jù)于2017年4月完成收集，并在當(dāng)年年底送到馬克斯·普朗克射電天文研究所和美國麻省理工學(xué)院分析。2018年6月至11月，各地科學(xué)家基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像構(gòu)建工作。此后直至今年4月，是相關(guān)論文的撰寫和同行評議階段。

“我們?nèi)〉玫挠^察結(jié)果非常重要，質(zhì)量也讓人驚喜。”岑蘇斯說，“我們希望借此驗證廣義相對論的有關(guān)預(yù)測，并了解星系的形成和演化。終極目標(biāo)是從天文領(lǐng)域認(rèn)識自然，了解宇宙的形成。”

談到此次成果的全球多地同時發(fā)布，岑蘇斯說，“這是因為這些地方有我們項目的重要參與者”。

岑蘇斯肯定了中國同行的貢獻(xiàn)。“中國科學(xué)院上海天文臺直接參與了位于美國夏威夷的東亞JCMT望遠(yuǎn)鏡對黑洞的觀測，中國其他科研機(jī)構(gòu)的多名研究人員也以不同形式參與了后期數(shù)據(jù)的分析和解讀，”他說，“我們也希望，未來中國能有更多新的毫米波望遠(yuǎn)鏡參與進(jìn)來。”

岑蘇斯表示，首次發(fā)布黑洞照片“只是開始”。“我們未來會擴(kuò)大陣列望遠(yuǎn)鏡的數(shù)量規(guī)模，提高靈敏度和分辨率，繼續(xù)觀測兩個黑洞在不同階段的變化，甚至對新的黑洞進(jìn)行觀察，拍攝新的、質(zhì)量更好的照片。”

什么樣的黑洞適合拍照？

事實上，黑洞并不是孤立存在的，黑洞的中心是一個奇點，它的周圍存在大量氣體，據(jù)黑洞研究專家、國家天文臺研究員茍利軍教授介紹，由于黑洞的強(qiáng)大引力，氣體會朝黑洞下落。而當(dāng)這些氣體被加熱到數(shù)十億度高溫時，便會發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。同時，黑洞也會以噴流和風(fēng)的形式向外噴射物質(zhì)和能量。不過，雖說黑洞的陰影能被“看到”，但也不是所有黑洞都符合成像條件。由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，這也意味著黑洞的質(zhì)量越大，事件視界就越大，也越適合成像。因此，距離我們近的超大質(zhì)量黑洞是完美的黑洞成像候選體。用這一虛擬望遠(yuǎn)鏡“拍照”的兩個目前已知最優(yōu)的候選體，一個是銀河系中心黑洞Sgr A＊ ，一個是近鄰射電星系M87的中心黑洞M87＊。此前，距離地球2．6萬光年的Sgr A＊從未被直接看到過，但其附近的恒星會受到它的影響，因此科學(xué)家認(rèn)為，它真實存在。此外，由于人馬座的Sgr A＊被宇宙塵埃和氣體包圍，觀測難度大大增加。天文學(xué)家集中了位于南極洲、美洲和歐洲的6個地方的8臺望遠(yuǎn)鏡，組成“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，共同發(fā)射能穿透黑洞周圍密集星云的窄頻無線電波，來“對焦”這個著名的黑暗之地。為了增加探測靈敏度，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）所記錄的數(shù)據(jù)量非常龐大。2017年4月份的觀測中，每個臺站的數(shù)據(jù)率達(dá)到驚人的32Gbit／s，8個臺站在5天觀測期間共記錄約3500TB數(shù)據(jù)（相當(dāng)于350萬部電影，至少要幾百年才能看完?。?。EHT采用專用硬盤來記錄數(shù)據(jù)，再把它們送回數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。在那里，研究人員用超級計算機(jī)矯正電磁波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時間差，并把所有數(shù)據(jù)做互相關(guān)綜合處理，從而達(dá)到信號相干的目的。在此基礎(chǔ)之上，通過對這些數(shù)據(jù)經(jīng)過近兩年時間的后期處理和分析，人類終于捕獲了首張黑洞圖像。

“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）項目是什么？

中國也有參與者2017年4月，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”啟動對黑洞拍照，“沖洗”用了約兩年時間。包括中國科學(xué)院上海天文臺在內(nèi)的一些國內(nèi)機(jī)構(gòu)參與了此次國際合作。此外，我國科學(xué)家長期關(guān)注高分辨率黑洞成像研究，在EHT國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關(guān)工作。在此次EHT合作中，中國科學(xué)家在早期共同推動了EHT的合作并參與了EHT望遠(yuǎn)鏡觀測時間的申請，同時協(xié)助JCMT望遠(yuǎn)鏡開展觀測并參與數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等，為EHT黑洞成像做出了積極的貢獻(xiàn)。事件視界望遠(yuǎn)鏡項目由13個合作機(jī)構(gòu)組成，中國科學(xué)院天文大科學(xué)中心（CAMS） 是其中之一。CAMS由中國科學(xué)院國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺共同建立，其中上海天文臺牽頭組織協(xié)調(diào)國內(nèi)學(xué)者參與了此次合作。中國科學(xué)院上海天文臺研究員、副臺長、學(xué)術(shù)委員會主任袁峰曾介紹，直接觀測到黑洞相當(dāng)于是給彎曲的時空拍照，需要望遠(yuǎn)鏡有很高的分辨率。如果采用毫米波望遠(yuǎn)鏡觀測，根據(jù)公式測算，它的口徑需要達(dá)到“地球直徑”一樣的長度。如果用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡需要達(dá)到幾公里的口徑，紅外望遠(yuǎn)鏡需要達(dá)到10－100公里口徑。而人類目前建造最大的望遠(yuǎn)鏡是口徑只有500米的射電望遠(yuǎn)鏡，位于我國貴州。要想“視線”觸及遠(yuǎn)距離黑洞，并能穿透彌漫氣體及高溫氣體，就需要有一個與地球體型相當(dāng)?shù)木扌屯h(yuǎn)鏡才行，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）完成的正是這個任務(wù)。事件視界望遠(yuǎn)鏡并不是一個傳統(tǒng)觀念的觀測平臺，而是由位于美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極的天線組成觀測陣列，根據(jù)加州大學(xué)伯克利分校天體物理學(xué)家賈森·德克斯特介紹：“這個觀測計劃是一個前所未有的實驗，我們將獲得更加清晰的黑洞周圍圖像信號。”他表示，如果這一技術(shù)走向成熟，那么可在未來幾年內(nèi)提供令人驚訝的觀測結(jié)果。“從地球上觀測人馬座A ＊，就如同我們觀測月球上的一顆柚子，但是事件視界望遠(yuǎn)鏡卻可以勝任這一任務(wù)，它的分辨率可以觀測月球上一個大小接近高爾夫球的物體。”