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科学家完成给黑洞拍照,它长得会像《星际穿越》中那样吗

科学家如何给黑洞拍照? 

黑洞的真实面貌也许在几个月后就能被人们看到。自4月5日开始,经过几个晚上的观察后,天文学家终于捕捉到了黑洞的第一幅“照片”。


只是现在的“照片”还是一组组观测数据,需要再经过一段时间的数据处理。


中国天体物理学家苟利军教授介绍,天文学家们期待“被洗出的”照片是围绕黑洞的一个被称为“视界面”(event horizon)的神秘区域。黑洞的几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,“奇点”在其周围形成一个强大的引力场,在一定范围之内,连光线都无法逃脱。“视界面”是光线不能逃脱的临界半径。


获得这样一幅照片是国际合作伙伴之间多年计划与合作的结果。八个观测站通过电子联网,从夏威夷最高的山脉一直延伸到南极的冰冷地带,建立起一个有效口径尺寸达到地球直径大小的虚拟望远镜网络,“视界面望远镜”(Event Horizon Telescope, EHT)。


电影《星际穿越》当中的黑洞,周围的亮环是由气体构成的吸积盘。


此次望远镜瞄准的是两个超大质量的黑洞,一是银河系中心黑洞Sgr A*,它的质量大约相当于400万个太阳;二是位于星系M87中的黑洞,其质量达到了60亿个太阳质量。


“视界面望远镜”之前已经探测过这些巨兽的邻里,但这是望远镜网络首次将南极望远镜(South Pole Telescope)以及位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large Millimeter Array,ALMA)纳入观测网络。阿塔卡马大型毫米波阵将“视界面望远镜”的敏锐度提升了10倍,能够看到月球上的一个高尔夫球。


由于要保证8个望远镜都能看到两个黑洞,从而达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率,留给科学家们的观测窗口期非常短暂,每年大约只有10天时间。对于2017年来说,是在4月5日到4月14日之间。4月4日,“视界面望远镜”将视线投向了太空。


位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA)望远镜。


因为波长带可以穿透星系中心的气体和灰尘,并相对畅通无阻地到达地球,所以天文学家选择通过毫米无线电波为黑洞拍照。但是水会吸收并释放无线电波,这意味着降水会混淆观测。


为了最大限度地杜绝这个问题,射电望远镜一般放置在山顶或沙漠高原这样的高海拔地区,但云、雨或雪仍然会使天文台掉线。在这些高海拔地区,暴风也会对望远镜造成影响。团队成员文森特·费什(Vincent Fish)表示,“每一个观测点好天气的概念几乎为零。”
在观察窗口期的五个夜晚,费什和他的同事们每天都要根据每个站点当前的天气状况信息,以及在未来几天气象会如何变化,来决定是否启动网络。哈佛大学史密森天体物理中心,“视界面望远镜”观测的主任舍普·多尔曼(Shep Doeleman)说,“如果你在夜间熄火,而坏天气结束,这多么令人心碎。”


最后的观测结束于美国东部时间上午11:22,费什兴奋地坐在位于马萨诸塞州麻省理工学院Haystack天文台的办公室内。在过去的一周里,费什全天候地等待数据到达项目观测站。随着最后一份数据的到达,庆祝之音源源不断涌入天文学家和工程师的专门聊天线。费什听着波西米亚狂想曲,打算开一瓶50年的苏格兰威士忌以庆祝捕捉到的第一幅黑洞图像。费什说,“我非常高兴,期待着睡个好觉。” 


望远镜在全球分布示意图,红点代表望远镜所在地。


每个天文台由于数据众多,无法以电子方式传输。所有望远镜的信息已记录在1024个硬盘上,这相当于一万台笔记本电脑的存储容量。驱动器必须邮寄到美国麻省理工学院的Haystack天文台以及位于德国波恩的马普射电天文所。所以,尽管观测已经结束,如此多的数据还需要时间来处理,“视界面望远镜”团队必须等待几个月才能确定他们的努力是否真的取得成功。


荷兰拉德伯德大学的天文学家海诺·法尔克(Heino Falcke)表示,“即使第一幅图像很差劲,我们还是可以借此检验爱因斯坦的广义相对论。”爱因斯坦于1915年构建完毕这个革命性的新理论,引力被描述为时空的一种几何属性。而巨型黑洞的存在则是爱因斯坦理论的第一个预测之一。”法尔克认为,“它是空间和时间的终结点,可能代表着我们认知的最终限制。”然而,对于黑洞,天文学家只有间接证据表明它们隐藏在宇宙中每个大星系的核心位置。即使是爱因斯坦也不确定它们实际上是否存在。根据法尔克的说法,第一幅图像“将使黑洞从一个神秘物体转变成为可以被研究的具体的东西”。


即使他们不能从此次观测中得到一个黑洞图像,多尔曼和他的同事们已经计划明年启用更大的射电望远镜网络再试一次。法尔克表示,“在接下来的十到五十年中,随着我们将虚拟望远镜网络扩展到非洲,最终进入太空,我们应该可以得到黑洞的清晰图像。”

本文转自澎湃新闻


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