人类首张黑洞照片发布,可能会有什么重要影响?推荐

2019年4月10日21:21:44来源:中国科普博览 评论 405
摘要

黑洞究竟长什么样子?人类史上首张黑洞照片如何拍出?北京时间4月10日晚21点,全球六地同步召开新闻发布会。

【距离地球 5500万光年,质量为太阳的 65 亿倍!】此次发布的黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系 M87中心的黑洞,其距离地球 5500万光年,质量为太阳的 65 亿倍。该图像的许多特征与爱因斯坦广义相对论的预言完全相一致,在强引力极端环境下进一步验证了广义相对论。

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展开First Image of a Black Hole

The Event Horizon Telescope (EHT) — a planet-scale array of eight ground-based radio telescopes forged through international collaboration — was designed to capture images of a black hole. In coordinated press conferences across the globe, EHT researchers revealed that they succeeded, unveiling the first direct visual evidence of the supermassive black hole in the centre of Messier 87 and its shadow. The shadow of a black hole seen here is the closest we can come to an image of the black hole itself, a completely dark object from which light cannot escape. The black hole’s boundary — the event horizon from which the EHT takes its name — is around 2.5 times smaller than the shadow it casts and measures just under 40 billion km across. While this may sound large, this ring is only about 40 microarcseconds across — equivalent to measuring the length of a credit card on the surface of the Moon. Although the telescopes making up the EHT are not physically connected, they are able to synchronize their recorded data with atomic clocks — hydrogen masers — which precisely time their observations. These observations were collected at a wavelength of 1.3 mm during a 2017 global campaign. Each telescope of the EHT produced enormous amounts of data – roughly 350 terabytes per day – which was stored on high-performance helium-filled hard drives. These data were flown to highly specialised supercomputers — known as correlators — at the Max Planck Institute for Radio Astronomy and MIT Haystack Observatory to be combined. They were then painstakingly converted into an image using novel computational tools developed by the collaboration.

国家天文台苟利军研究员@Flyingspace

这次的直接成像除了帮助我们直接确认了黑洞的存在,同时也通过模拟观测数据对爱因斯坦的广义相对论做出了验证。在视界面望远镜的工作过程和后来的数据分析过程中,科学家们发现,所观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致,令人不禁再次感叹爱因斯坦的伟大。

人类首张黑洞照片发布,可能会有什么重要影响?
爱因斯坦

另外一个重要意义在于,科学家们可以通过黑洞阴影的尺寸限制中心黑洞的质量了。这次就对M87中心的黑洞质量做出了一个独立的测量。在此之前,精确测量黑洞质量的手段非常复杂。

受限于观测分辨率和灵敏度等因素,目前的黑洞细节分析还不完善。未来随着更多望远镜加入,我们期望看到黑洞周围更多更丰富的细节,从而更深入地了解黑洞周围的气体运动、区分喷流的产生和集束机制,完善我们对于星系演化的认知与理解。

出品:科普中国


左文文(上海天文台):

如果要评选出2019年最有价值和最受期待的照片,那么非下面这张照片莫属。这是5500万光年外的大质量星系M87中心超大质量黑洞的黑洞阴影照片,也是人类拍摄的首张黑洞照片。它是黑洞存在的直接“视觉”证据,从强引力场的角度验证了爱因斯坦广义相对论。

人类首张黑洞照片发布,可能会有什么重要影响?
图1:M87星系中心超大质量黑洞(M87*)的图像,上图为2017年4月11日的图像,图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”,周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相对论性射束(beaming)效应所造成的。由于黑洞的旋转效应,图片上显示了上(北)下(南)的不对称性。

这张照片于2017年4月拍摄,2年后才“冲洗”出来。2019年4月10日由黑洞事件视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)合作组织协调召开全球六地联合发布。

给黑洞拍照,有三个科学意义:

1. 对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞是具有强引力的,给黑洞拍照最主要的目的就是在强引力场下验证广义相对论,看看观测结果是否与理论预言一致。

2. 有助于理解黑洞是如何“吃”东西的。黑洞的“暗影”区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域,这里的信息尤为关键,综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息,就能更好地重构这个物理过程。

3. 有助于理解黑洞喷流的产生和方向。某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前,会由于磁场的作用,沿着黑洞的转动方向被喷出去。以前收集的信息多是更大尺度上的,科学家没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么。如果现在对黑洞暗影的拍摄,就能助天文学家一臂之力。

人类首张黑洞照片发布,可能会有什么重要影响?
图2:哈勃空间望远镜拍摄的M87,图片版权:NASA

黑洞照片应该是这样:圆形阴影+光环

一百年前,爱因斯坦广义相对论提出后不久,便有科学家探讨了黑洞周围的光线弯曲现象。上世纪70年代,James Bardeen及Jean-Pierre Luminet等人计算出了黑洞的图像。上世纪90年代,Heino Falcke等天文学家们首次基于广义相对论下的光线追踪程序,模拟出银河系中心黑洞Sgr A*的样子,引入了黑洞“阴影”的概念

理论预言,受黑洞强引力场的影响,黑洞吸积或喷流产生的辐射光被黑洞弯曲,使得天空平面(与视线方向垂直的面)被黑洞“视边界”(apparent boundary)的圆环一分为二:在视边界圆环以内的光子,只要在视界面以外,就能逃离黑洞,但受到很强的引力红移效应,亮度低;而视边界圆环以外的光子,能绕着黑洞绕转多圈,积累的亮度足够高。

人类首张黑洞照片发布,可能会有什么重要影响?
图3:广义相对论预言,将会看到一个近似圆形的暗影被一圈光子圆环包围。由于旋转效应,黑洞左侧更亮。图片版权:D. Psaltis and A. Broderick

从视觉上看,视边界内侧的亮度明显更弱,看起来就像一个圆形的阴影,外面包围着一个明亮的光环。故此也得名黑洞 “阴影”(black hole shadow)。这个阴影有多大呢?史瓦西黑洞的阴影直径是视界直径的5.2倍;如果黑洞转得快,阴影直径也有约4.6倍视界半径。如此看来,黑洞视边界的尺寸主要与黑洞质量有关系,而与黑洞的自转关系不大。

后来,更多科学家针对黑洞成像开展了大量的研究,均预言黑洞阴影的存在。因此,对黑洞阴影的成像能够提供黑洞存在的直接“视觉”证据。

今天只是起点,未来将看到更多精彩

其实,人类关于黑洞的理论预言出现的时间不短,VLBI技术也并不是近十年才成熟。为什么现在才“拍”到第一张黑洞照片呢?一个重要的原因是,想要利用VLBI技术构成一个等效口径足够大、灵敏度足够高的望远镜,需要在全球各地广泛地分布着足够多的这类望远镜。过去十年中,技术的突破、新射电望远镜的不断建成并加入EHT项目、算法的创新等,终于让天文学家们打开了一扇关于黑洞和黑洞视界研究的全新窗口。

参与此次EHT观测的上海天文台专家一致表示,对M87*黑洞的顺利成像绝不是EHT的终点站。

一方面,对于M87*的观测结果分析还能更加深入,从而获得黑洞周围的磁场性质,对理解黑洞周围的物质吸积及喷流形成至关重要。

另一方面,大家翘首以待的银河系中心黑洞Sgr A*的照片也要出炉了。

EHT项目本身还将继续“升级”,还会有更多的观测台站加入EHT,灵敏度和数据质量都将提升,让我们一起期待,未来看到M87*和Sgr A*的更高清照片,发现照片背后的黑洞奥秘。

总之,人类既然已经拍到第一张黑洞照片,那黑洞成像的春天还会远吗?

作者:左文文(中科院上海天文台)

出品:科学大院


     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,本报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,仪器和肉眼都无法之间观测到它。

        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。

        沈台长:“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。

       中国科学院上海天文台研究员沈志强说:“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Sgr A*,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。

       Sgr A*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Sgr A*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Sgr A*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Sgr A*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,人类历史上首张黑洞照片终于问世。​​​​

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