详解人类史上的首张黑洞照:动用全球八个射电望远镜,照片花了两年“洗”出来!

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就在昨晚(4月10日)9点,「事件视界望远镜」(Event Horizon Telescope, EHT)项目在布鲁塞尔、圣地亚哥、上海、台北、东京、和华盛顿共六个地点同时召开了发布会,正式对外界公布了黑洞的照片,也是我们人类史上第一次拍到黑洞的照片。

 

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这里先简单给大家介绍这个「事件视界望远镜」项目,他们是由各个国家地区共计200人的科研团队所组成,主要的目的就是要观测位于南半天球、银河系中央的特大质量黑洞人马座A*以及位于北天球的椭圆星系M87星系中央的特大质量黑洞。据称这个黑洞距离地球约5500万光年,质量约是太阳的65亿倍。

 

这次发布的就是他们的观测成果,也就是黑洞的图像,这前后究竟代表了什么呢?就让小编给大家娓娓道来。

 

黑洞究竟是什么?

 

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首先,黑洞并不真的是一个洞,准确来说是个天体,在一颗恒星在核聚变反应燃烧殆尽后会发生引力坍缩而成,这个天体质量极大密度极高,因此会产生强大的引力场,不只是任何物质都难逃一吸,就连光也会受其影响。

 

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就在那张模糊得像是什么橙色甜甜圈的照片之前,我们看到的任何黑洞相关的图像都是透过想象以及爱因斯坦所提出的理论来描绘出来的,以上图来自联合报的整理来看,我们就更能确定所谓的黑洞并不是一个洞,而是一个“点”。

 

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回到释出的黑洞照片本身,我们能看到那一环光圈本身并不是黑洞,而是黑洞的引力作用影响周围的物质,使时空变形、加热周遭的物质并发光,严格来说更像是吸积盘的概念,而光圈本身中的阴影处才是所谓的黑洞。而这种光圈部队称的结构一方面是强引力透镜效应和相对论性射束(beaming)效应造成的,另一方面也确认了这个黑洞是能够自旋的,其自旋方向远离地球且呈顺时钟方向旋转。

 

至于为何照片拍出来是如此的模糊呢?接下来就要讲解到这张照片是怎么拍出来的了。

 

这张黑洞照片是怎么拍出来的?

 

这个黑洞要拍出来可说是十分的困难,因为它离我们太远,足足有5500万光年远,但大小却只有120个天体单位,简单来说便是太阳到海王星的4倍距离,不要看这样好像很大,但加乘起这个距离来,要拍摄黑洞感觉就好像“给月球表面的一个苹果拍照”。

 

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首先,要找到一个可以拍摄到黑洞的望远镜,理论上是不可能的,因为这个望远镜的大小要像一个地球那么大,不过ETH项目团队想到了一个方法,他们集合全球各地的顶尖望远镜,运用超长基线干涉技术,同时观测黑洞的某个方位并拼凑起来,就能尽可能做到“一个地球般大小望远镜”的效果。

 

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具体来说,他们总共动用了全球各地、横跨南北半球共8个射电望远镜联合起来以达到这种效果。

 

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这里用到的观测技术,就是「甚长基线干涉测量」(VLBI)。通过这种技术,能将多个望远镜结合成一台孔径更大的望远镜,让距离不再成为限制。两个射电望远镜和一个数据处理中心,就能共同观测遥远的类星体以及河外星系。

因为黑洞本身是看不见的,这里的拍出的图像,其实是因为黑洞在「吃掉」身边恒星时,气体撕扯会产生旋转的吸积盘,加上部分吸积气体也会沿转动方向被抛出去形成喷流,这些气体摩擦都产生了明亮的光线,再加上其他频段的辐射,因此能捕捉到这些黑洞的发光现象。

当 8 个射电望远镜联合启动,VLBI 网将各射电望远镜接收到的信号转化为数字信号记录在磁盘上,然后通过数据中心处理和分析,就能获得观测目标的射电精细结构图像,最高分辨率可为哈勃空间望远镜的数百倍。这样以来,我们就能看清“月球上的苹果”了

 

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拍都已经是如此浩大的工程了,要将这个照片洗出来更是难上加难,通过VLBI搜集到这些数据后,需要将它们集合、整理,这些资料却是如此的庞大,5天的观测结果容量可达7PB(1PB相当于1000TB,1000000GB)如此庞大的数据没办法透过网络传输,只能装满1000-2000 个硬盘跨越南北半球运送。

 

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为了防止地球大气中的水汽阻碍数据接收,还要将观测站摆在干燥高地,但常规硬盘无法抵抗低气压。墨西哥内格拉火山多顶(海拔 4580 米)的望远镜的 32 个常规硬盘里就有 28 个无法运作,最后只好改装成氦气封装硬盘。

同时,计算机进行后台处理和分析海量数据也需要极长时间,各个站点收集的数据都被汇集到美国和德国两个数据中心,计算机集群要对数据时间进行合并和分析,缺失或模糊的部分,都需要科学家进行拼图完善。

单生产出这张黑洞照片,研究人员就用了 2 年左右时间。

因此不要因为拍出来的一张照片模模糊糊的就感到失望或是小看了这个成果,这一张模糊照片可是历史的一大里程碑,人类在这个浩瀚无垠的宇宙上的一大步。

 

这张黑洞照的意义何在?

 

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首先,这张照片的存在验证了爱因斯坦提出的广义相对论,在这之前我们不曾观测过黑洞,我们对黑洞的认知起源于爱因斯坦的理论,我们看过的各种黑洞照片都是各路艺术家或专家根据爱因斯坦的理论衍生发展进而产生,这次我们真正意义上的拍到了黑洞,以上的理论几乎可说是被证实。

 

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当然,黑洞的拍摄并不是进行确认那么简单,中国科学院国家天文台研究员苟利军说道:“黑洞周围会有很多分流,分流对于整个星系,以及星系演化,都起着非常重要的作用。但我们不是特别清楚它是如何产生的,我们看到黑洞周围的状况,能帮我们解决最基础的科学问题。”

 

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因此,拍到黑洞并不是单纯的完成了一个上世纪的科学理论的辩证,反而是另一个开始,以黑洞的观测为基础所延伸的是更多的可能性,比方说与黑洞相反的白洞、能够跨越时空的隔阂的虫洞等等都是接下来可以继续被验证、观测、考验的理论,有很多活在科幻作品中或是科学理论中的事物也全都在等待我们去发掘。

 

 

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(小编覆盖一张魔法卡,结束这回合)

如果你一路看到了这里来,小编在这里十分感谢您的耐心阅读,衷心希望您能在这篇文章中对于这个天文界的重大发现有所了解,如果喜欢这篇文章的话欢迎转载,若小编的整理有任何不足之处也请多多指教,我们下篇文章见。

 

 

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阿六

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